Nanopartikel-Dispersionen in Wachs – Stellen Sie stabile Formulierungen her!

Das Dispergieren von Nanopartikeln in Wachsmatrizen ist eine wichtige, jedoch anspruchsvolle Anwendung bei Beschichtungen, Kosmetika, Pharmazeutika und Phasenwechselmaterialien. Aufgrund der intrinsischen Viskosität geschmolzener Wachse, ihrer Hydrophobie und der Neigung von Nanopartikeln, infolge hoher Oberflächenenergien zu agglomerieren, erfordert die Herstellung von Nanopartikel-Wachs-Dispersionen entsprechendes Fachwissen. Die Ultraschallgeräte von Hielscher bieten die Dispergierleistung, präzise Steuerbarkeit und Skalierbarkeit für die Herstellung stabiler Nanopartikel-Wachs-Dispersionen mit Tischgeräten und in der industriellen Produktion.

Herausforderungen beim Dispergieren von Nanopartikeln in Wachs

Nanopartikel – ob metallisch, keramisch oder kohlenstoffbasiert – bilden aufgrund starker Van-der-Waals-Wechselwirkungen leicht Aggregate. In Wachs werden diese Wechselwirkungen durch das Fehlen polarer Lösungsmittel oder Stabilisatoren verstärkt. Mechanisches Rühren oder Rotor-Stator-Homogenisatoren erweisen sich häufig als unzureichend, insbesondere wenn Nanopartikel einen Durchmesser von weniger als 100 nm aufweisen oder hohe Partikelbeladungen erforderlich sind. Eine homogene Dispersion erfordert einen Energieeintrag, der Agglomerate auf der Nanoskala aufbrechen und gleichzeitig die Partikeloberfläche mit dem Wachsmedium benetzen kann.

Mechanismus der Nanodispergierung mittels Ultraschall

Die hohe Wirksamkeit der Ultraschalldispergierung beruht auf dem einzigartigen Wirkmechanismus der akustischen Kavitation. Ultraschallgeräte mit Sonotrode erzeugen starke Kavitationskräfte, wenn sich hochintensive, niederfrequente Ultraschallwellen durch eine Flüssigkeit, z. B. geschmolzenes Wachs, ausbreiten. Der Kollaps von Blasen während der Kavitation erzeugt lokal begrenzte Hotspots mit extremen Schergradienten, Stoßwellen und Mikrostrahlen. Diese kurzzeitig auftretenden Kräfte überwinden die Haftkräfte zwischen den Partikeln und deagglomerieren Nanopartikelcluster effizient.
Darüber hinaus verbessert die Ultraschallbehandlung die Benetzung der Nanopartikeloberflächen durch die Wachsschmelze. Der wiederholte Kollaps von Kavitationsblasen verringert die Grenzflächenspannung und ermöglicht es den Wachsmolekülen, zwischen die Partikel einzudringen und diese sterisch zu stabilisieren.

Anwendungen für mittels Ultraschall hergestellte Wachs-Nanodispersionen

Die Möglichkeit, Nanopartikel homogen in Wachs zu dispergieren, eröffnet vielfältige Anwendungen:

Beschichtungen und Polituren: Die Zugabe von Siliziumdioxid- oder Aluminiumoxid-Nanopartikeln erhöht die Härte, Kratzfestigkeit und den Glanz.
Kosmetische Formulierungen: Titandioxid- oder Zinkoxid-Nanopartikel bieten UV-Schutz bei gleichzeitiger Erhaltung der Transparenz.
Phasenwechselmaterialien (PCMs): Graphen, Kohlenstoffnanoröhren oder Metalloxide erhöhen die Wärmeleitfähigkeit und verbessern dadurch die Effizienz der Wärmespeicherung in Energiesystemen.
Wirkstoffabgabe: In Wachs eingebettete lipophile Nanopartikel dienen in topischen oder oralen Formulierungen als Reservoirs zur langsamen Wirkstofffreisetzung.

Mittels Ultraschall synthetisierte Nanofluide sind effiziente Kühl- und Wärmeträgerflüssigkeiten. Wärmeleitfähige Nanomaterialien erhöhen die Wärmeübertragung und das Wärmeabfuhrvermögen erheblich. Die Ultraschallbehandlung ist sowohl bei der Synthese und Funktionalisierung wärmeleitfähiger Nanopartikel als auch bei der Herstellung stabiler, leistungsfähiger Nanofluide für Kühlanwendungen fest etabliert.

Ultraschalldispergierer für Wachs-Nanopartikel-Formulierungen

Die Ultraschalldispergierung mit leistungsstarken Ultraschallgeräten mit Sonotrode von Hielscher ist ein robustes und skalierbares Verfahren zur Herstellung stabiler Wachs-Nanodispersionen.
Ultraschallsysteme mit Sonotrode von Hielscher werden aufgrund ihrer hohen Verarbeitungskapazität, präzisen Parametersteuerung und linearen Skalierbarkeit häufig zur Verarbeitung von Nanopartikeln eingesetzt. Ob Sie Nanopartikel-Dispersionen in Wachs im Chargenbetrieb oder in der kontinuierlichen Inline-Produktion herstellen möchten: Hielscher Ultrasonics bietet die ideale Ausstattung für die Ultraschallbehandlung. Ultraschallhomogenisatoren für das Labor sind das perfekte Werkzeug für Forschung und Produktentwicklung, während industrielle Ultraschall-Durchflusszellen die Herstellung stabiler Wachs-Nanodispersionen ermöglichen, die höchsten Qualitätsstandards entsprechen.
Die nach höchsten Qualitätsstandards gefertigten Ultraschallgeräte von Hielscher verbinden Robustheit, Benutzerfreundlichkeit und eine einfache Integration in industrielle Prozesse. Sie sind für anspruchsvolle Umgebungen ausgelegt, verfügen über modernste Technologie, sind ISO-zertifiziert und erfüllen die Anforderungen von CE, UL, CSA und RoHS.

Warum Hielscher Ultrasonics?

hohe Effizienz
modernste Technologie
Zuverlässigkeit und Robustheit
einstellbare, präzise Prozesssteuerung
Chargenbetrieb und Inline-Betrieb
für jedes Volumen
intelligente Software
intelligente Funktionen (z. B. Programmierbarkeit, Datenprotokollierung, Fernsteuerung)
einfach und sicher zu bedienen
wartungsarm
CIP (Reinigung ohne Demontage)

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Chargenvolumen	Volumenstrom	Empfohlene Geräte
0,5 bis 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 bis 500mL	10 bis 200mL/min	UP100H
10 bis 2000mL	20 bis 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 bis 20L	0,2 bis 4L/min	UIP2000hdT
10 bis 100L	2 bis 10L/min	UIP4000hdT
15 bis 150L	3 bis 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 bis 100L/min	UIP16000hdT
n.a.	höher	Cluster aus UIP16000hdT

Literatur / Referenzen

Szymańska, Iwona; Żbikowska, Anna; Kowalska, Małgorzata; Golec, Krzysztof (2021): Application of Oleogel and Conventional Fats for Ultrasound-assisted Obtaining of Vegan Creams. Journal of Oleo Science 70, 2021.
Noonim, P.; Rajasekaran, B.; Venkatachalam, K. (2022): Structural Characterization and Peroxidation Stability of Palm Oil-Based Oleogel Made with Different Concentrations of Carnauba Wax and Processed with Ultrasonication. Gels 2022, 8, 763.
A.R. Horrocks, B. Kandola, G.J. Milnes, A. Sitpalan, R.L. Hadimani (2012): The potential for ultrasound to improve nanoparticle dispersion and increase flame resistance in fibre-forming polymers. Polymer Degradation and Stability, Volume 97, Issue 12, 2012. 2511-2523.

Häufig gestellte Fragen

Was ist Wachs?

Wachse bilden eine Klasse organischer, hydrophober Materialien, die hauptsächlich aus langkettigen Kohlenwasserstoffen, Estern, Fettsäuren und Alkoholen bestehen. Sie sind bei Raumtemperatur fest, haben relativ niedrige Schmelzpunkte und erweichen beim Erwärmen.

Welche verschiedenen Wachsarten gibt es?

Zu den verschiedenen Wachsarten gehören natürliche Wachse wie Bienenwachs, Carnaubawachs und Candelillawachs, aus Erdöl oder Braunkohle gewonnene mineralische Wachse wie Paraffinwachs, mikrokristallines Wachs und Montanwachs sowie synthetische Wachse wie Polyethylenwachse, Fischer–Tropsch-Wachse und Amidwachse.

Wofür werden Wachse verwendet?

Wachse werden in zahlreichen Branchen eingesetzt. Sie bieten Oberflächenschutz in Beschichtungen und Polituren, wirken als Strukturgeber und Bindemittel in Kosmetika und Pharmazeutika, dienen als Trennmittel und Schutzbeschichtungen in der Lebensmittelindustrie und fungieren in technischen Anwendungen als Schmierstoffe, Klebstoffe und Phasenwechselmaterialien zur Energiespeicherung.

Welche Polarität haben verschiedene Wachse?

Die Polarität von Wachsen variiert mit ihrer chemischen Zusammensetzung. Paraffin- und Polyethylenwachse sind weitgehend unpolar, Bienenwachs und Carnaubawachs weisen aufgrund von Estern und freien Fettsäuren eine schwache Polarität auf, und Montanwachs oder bestimmte synthetische Wachse zeigen aufgrund von Carboxyl- und Amidgruppen eine mäßige Polarität. 