Voksemulsioner med højintensiv ultralyd
Når voks dispergeres som nanodråber med en meget homogen fordeling, opnås en stabil voksemulsion. Ultralydshomogenisatorer genererer høje forskydningskræfter og er pålidelige og robuste systemer til fremstilling af stabile voksnanoemulsioner. Hielscher Ultrasonics’ homogenisatorer med høj forskydningskraft leverer emulsioner af overlegen kvalitet til forskellige industrier.
Voksemulsioner fremstillet med ultralyd
Høje forskydningskræfter genereret med ultralyd leverer den nødvendige energi til at fremstille voksemulsioner med dråber i nanostørrelse, f.eks. stabile paraffinvoksnanoemulsioner.
Submikron- og nanoemulsioner og -dispersioner kan formuleres ved hjælp af en kombination af forskellige vokstyper for at opnå et overlegent produkt med meget høj funktionalitet (f.eks. smøring, vandbestandighed, ridsebestandighed osv.).
Ultralydshomogenisatorernes høje forskydningskræfter gør det muligt at fremstille stabile, brugsklare voksformuleringer med partikler i ligevægt. Ultralydsemulgeringen resulterer i partikler i nanostørrelse og en ensartet fordeling.
Industrielt ultralydssystem med gennemstrømning til fremstilling af voksemulsioner.
- meget små dråbestørrelser på under 100nm
- stabile emulsioner
- forlænget holdbarhed (mekanisk stabilitet)
- højere effektivitet
- præcis processtyring
Paraffinvoksnanoemulsion fremstillet med ultralyd
Sådan fremstilles en stabil paraffinvoksemulsion
Voksemulsionen med dråber i nanostørrelse formuleres af smeltet paraffinvoks (som oliefase), destilleret vand og anionisk SDS som overfladeaktivt stof. For at danne en grov forblanding homogeniseres voks, vand og overfladeaktivt stof med en magnetomrører ved 1000 rpm. Til dette blandes det overfladeaktive stof (koncentration 10 mg/ml emulsion) og vand i et bægerglas og opvarmes til ca. 65–70ºC. Derefter tilsættes paraffinvoksen dråbevis under magnetisk omrøring, mens oliefasens volumenfraktion holdes på 0,2.
Når al paraffinvoksen er tilsat, bliver den groft forblandede emulsion sonikeret med en ultralydshomogenisator til bordbrug, UIP1000hdT (1000W, 20kHz) i ca. 15 min. Ultralydsemulgeringsprocessen resulterer i en voksnanoemulsion med meget høj stabilitet.
Læs mere om paraffinvoksemulsion ved hjælp af sonikering!
Ultralydsnanoemulsioner fremstillet med Hielscher UP400St
Overfladeaktive stoffer
Voksemulsioner kan stabiliseres enten ved en sterisk mekanisme (med nonioniske emulgatorer) eller ved en elektrostatisk mekanisme (med ioniske emulgatorer, oftest anioniske). Kombinationen af anioniske og nonioniske emulgatorer giver emulsionen optimal stabilitet, fordi vokspartiklerne beskyttes gennem begge stabiliseringsmekanismer. Dette kaldes den elektrosteriske stabiliseringsmekanisme.
Til emulgering af voks kan der anvendes forskellige emulgatorer eller overfladeaktive stoffer, som kan være anioniske, kationiske eller nonioniske. De mest anvendte overfladeaktive stoffer er fedtalkoholethoxylater som nonioniske overfladeaktive stoffer, da de giver en ekstraordinær stabilitet over for hårdt vand, pH-chok og elektrolytter. Til andre specifikke materialeegenskaber anvendes forskellige andre stoffer, f.eks. anioniske overfladeaktive stoffer for bedre hydrofobicitet eller kationiske overfladeaktive stoffer for bedre vedhæftning.
Bemærk: Jo mindre dråberne er, desto mere overfladeaktivt stof kræves der for at dække dråbeoverfladen, da kuglers V/S-forhold er følgende: S/V = 3/R. Ved enhver forøgelse, x*l eller x*r, af længden eller radius øges overfladearealet med x i anden potens (x2), og volumen øges med x i tredje potens (x3).
Formulering med voksemulsioner og -dispersioner
Ultralydshomogenisatorer bruges ikke kun til at danne voksemulsioner / -dispersioner – de bruges også til at behandle voksemulsionerne i efterfølgende trin for at indarbejde emulsionen som et additiv i slutproduktet (f.eks. belægninger, lakker, maling, kosmetik osv.).
Ultralydshomogenisatorer til krævende drift og stabile voksemulsioner
Hielscher Ultrasonics er en verdenskendt leverandør af ultralydshomogenisatorer med høj effekt. Vores ultralydsapparater findes verden over som pålidelige og robuste “arbejdsheste” i den kemiske, farmaceutiske, kosmetiske og fødevareindustri. Hielscher ultralydsapparater til industriel brug kan kontinuerligt levere meget høje amplituder på op til 200µm (og højere på forespørgsel) for at generere intens kavitation og høje forskydningskræfter. Som resultat fremstilles ultrafine nanoemulsioner og -dispersioner med meget snævre partikelstørrelsesfordelinger. Vores ultralydssystemer med høj effekt hjælper dig med at opnå en overlegen kvalitet af dine voksformuleringer.
Hielscher sonikeringsapparaternes robusthed muliggør 24/7-drift ved høj belastning og i krævende miljøer.
Sonikeringsapparat med probe UP400St til fremstilling af stabile voksemulsioner.
| Batchvolumen | Volumenstrøm | Anbefalede apparater |
|---|---|---|
| 1 til 500mL | 10 til 200mL/min | UP100H |
| 10 til 2000mL | 20 til 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 til 20L | 0,2 til 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 til 150L | 3 til 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 til 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | større | klynge af UIP16000hdT |
Kontakt os! / Spørg os!
Kraftfuld 1,5kW ultralydshomogenisator UIP15000hdT med flowcelle til inline-emulgering.
Litteratur / Referencer
- Salla Puupponen, Ari Seppälä, Olli Vartia, Kari Saari, Tapio Ala-Nissilä (2015): Preparation of paraffin and fatty acid phase changing nanoemulsions for heat transfer. Thermochimica Acta, Volume 601, 2015. 33-38.
- Behrend, O.; Ax, K.; Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound. Ultrason Sonochem. 7(2), 2000. 77-85.
- Hosseini S.; Tarzi B. G.; Gharachorloo M.; Ghavami M.; Bakhoda H. (2015): Optimization on the Stability of Linseed Oil-in-Water Nanoemulsions Generated by Ultrasonic Emulsification Using Response Surface Methodology (RSM). Orient J Chem 31(2), 2015.
Værd at vide
Hvad er voks? Hvad bruges voks til?
Voks defineres som en mangfoldig klasse af organiske forbindelser, der er hydrofobe, formbare faste stoffer ved temperaturer tæt på omgivelsestemperaturen. Voks består af forskellige komponenter, herunder kulbrinter (normale eller forgrenede alkaner og alkener), ketoner, diketoner, primære og sekundære alkoholer, aldehyder, sterolestere, alkansyrer, terpener (squalen) og monoestere (voksestere). Voksens kemiske sammensætning er kompleks og varierer, men generelt indeholder voks en relativt høj andel af alkaner, og kulbrinterne har lange eller meget lange kulstofkæder (fra 12 op til omkring 38 kulstofatomer). De er faste over et stort temperaturinterval (smeltepunkt mellem 60°C og 100°C). Når de smelter, bliver de til en væske med lav viskositet.
De er karakteriseret ved deres uopløselighed i vand, men opløselighed i organiske, upolære opløsningsmidler. Voks kan opdeles i naturlige (plante- eller animalsk afledte), semisyntetiske og syntetiske vokstyper.
Ved kommerciel fremstilling af voks er råolie den vigtigste kilde.
De to vigtigste typer af petroleumsvoks er paraffinvoks og mikrokrystallinsk voks:
Paraffinvoks har for det meste en hvid, lugtfri, smagsløs, voksagtig, fast konsistens med et typisk smeltepunkt mellem 46°C og 68°C (115°F og 154°F) og en densitet på ca. 900 kg/m3. Den har en makrokrystallinsk struktur og er uopløselig i vand, men opløselig i ether, benzen og visse estere. Paraffinvoks udvindes af råolie og indeholder mellem 20 og 40 kulstofatomer.
Mikrokrystallinsk voks, også kendt som petrolatum, bruges til mange forskellige anvendelser på grund af dens lugt, farve, olieindhold, konsistens og oliebindende egenskab.
α-olefinvoks fremstilles syntetisk enten af ethylen via Fischer-Tropsch-syntese med en Ziegler-Natta-katalysator eller via oligomerisering af ethylen. Alfa-olefinvoks bruges oftest i smøreolieadditiver, PVC-smøremidler, stearinlys, olieborekemikalier og kosmetik.
Polyethylenvoks (PE-WAX) er en polyethylen med ultralav molekylvægt (ULMWPE), som består af kæder af ethylenmonomerer. Polypropylenvoks (PP-WAX) er en syntetisk, krystallinsk harpiks med lav molekylvægt.
Både polyethylenvoks og polypropylenvoks er homopolymerer og bruges hovedsageligt til formulering af farvestoffer til plast.
Copolymer voks såsom derivater af ethylenvinylacetat (EVA) og ethylenakrylsyre (EAA) er meget udbredt i formuleringer af belægninger, f.eks. metalliske basislakker.
Voks og voksadditiver bruges i vid udstrækning til at give et produkt smøring/glid, reologi, slidbestandighed, beskyttelse mod sammenklæbning/barriereegenskaber, glans eller mattering, oxidationsbestandighed og/eller vandafvisning.
Voks er en meget anvendt komponent i mange industrier, såsom ved fremstilling af kemikalier (f.eks. fin- & specialkemikalier), belægninger, maling & trykfarver, additiver & modifikatorer, klæbemidler, plast & PVC, dæk & gummi, byggeri & anlæg, termostatiske reguleringsapparater, emballage, fødevarer og kosmetik.
Naturlig voks:
- Animalsk voks: bivoks, lanolin, talg, shellak, spermacet
- Vegetabilsk voks: carnauba, candelilla, soja, ricinus, risklid, vokspors, jojoba osv.
Mineralsk voks:
- Fossil voks: ceresin, montanvoks, ozokerit, tørvevoks
- Petroleumsvoks: paraffin, mikrokrystallinsk voks, f.eks. petrolatum
Syntetiseret voks:
Syntetisk voks: ethylenpolymerer, f.eks. polyethylen & polyoletherestere; polyolefinvoks; fedtsyreamidvoks; chlorerede naphthalener; kulbrintetyper, f.eks. Fischer-Tropsch.
Hvad er en voksemulsion?
En voksemulsion / voksdispersion er en stabil blanding af en eller flere vokstyper i vand. Da voks og vandige væsker normalt ikke er blandbare, kræves der overfladeaktive stoffer og en avanceret blandingsproces, f.eks. højintensiv ultralyd, for at danne en stabil voksemulsion. Korrekt betegnet skal en voksemulsion kaldes en voksdispersion, da voks er fast ved stuetemperatur. Men eftersom voksemulsioner / -dispersioner fremstilles med smeltet voks, anvendes betegnelserne “emulgering” og “voksemulsion” oftest om vandige voksformuleringer, mens betegnelsen “voksdispersion” hovedsageligt beskriver en opløsningsmiddelbaseret voksformulering.
Hvad er en emulsion
En emulsion er en væske-i-væske-dispersion af to eller flere ikke-blandbare væsker.
En emulsion kan forekomme i forskellige typer: w/o, o/w, w/o/w, o/w/o
Emulsionstypen (w/o eller o/w) kan undersøges ved en fortyndingstest. Emulsionen kan kun fortyndes med den kontinuerte / ydre fase. En anden metode til at identificere emulsionstypen er en ledningsevnetest. Ioniske o/w-emulsioner leder ikke strøm, mens o/w-emulsioner leder elektrisk strøm.
Ved anvendelse af CoCl2 -filterpapirtesten imprægneres et filterpapir med CoCl2 og tørres (blå farve). Farven på CoCl2 -filterpapiret bliver lyserød, når der tilsættes en o/w-emulsion.
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra laboratoriestørrelse til industriel størrelse.