Hielscher – Ultraschall-Technologie

Tensidfreie Kosmetik-Emulsionen mittels Power-Ultraschall

  • Um dem Kundenwunsch nach Kosmetikprodukten ohne schädliche Inhaltsstoffe nachzukommen, versucht die Kosmetikindustrie verstärkt tensidfreie Emulsionen zu formulieren.
  • Pickering-Emulsionen sind tensid- bzw. emulgatorfreie w/o- oder o/w-Gemische, welche mithilfe von Partikeln stabilisiert werden.
  • Das Ultraschall-Mischen und -Emulgieren ist eine hervorragende Technik, um hochstabile tensidfreie Pickering-Emulsionen zu formulieren.

Ultraschall-Emulgierung

Hochintensive Ultraschall-Scherkräfte ermöglichen es, stabile, tensidfreie Pickering-Emulsionen herzustellen, in denen Mikron- und Nano-Partikel als Stabilisatoren wirken. Die Beschallung mit Ultraschall ist ein nicht-thermisches Emulgierverfahren, das bereits weit verbreitet ist, um w/o -, o/w- und w/o/w-Systeme zu emulgieren und dadurch stabile Emulsionen (z.B. für Feuchtigkeitscremes, Cremes, Lotionen, Sonnenschutzmittel, Salben etc.) zu produzieren.
Tonerde-Silikate und tonerde-basierte Produkte zeigen gute Ergebnisse bei der Stabilisierung von Pickering-Emulsionen. Die hohen Scherkräfte der Ultraschall-Emulgierung ermöglichen sogar das Einmischen von Rheologiemodifikatoren wie z.B. Tonerden, welche sich normalerweise nur schwierig in kosmetischen Formulierungen dispergieren lassen. Der große Vorteil von Tonerden ist ihre Doppelfunktion, da sie die Emulsion stabilisieren und gleichzeitig als Rheologiemodifikatoren in der Formulierung dienen. Mittels Ultraschall lassen sich problemlos kosmetische Emulsionen mit scherverdünnenden Eigenschaften formulieren, die somit thixotrope Eigenschaften aufweisen und dadurch gute Anwendungseigenschaften aufweisen (z.B. einfaches Auftragen auf der Haut, versprühbare Produkte etc.).

Rizinusöl-in-Wasser-Emulsion

Ultraschall-Formulierung einer Rizinusöl-in-Wasser-Emulsion
Die Pickering-Öl-in-Wasser-Emulsionen kann folgendermaßen hergestellt werden:
Die kontinuierliche Phase besteht aus einer Wasser – Laponite® Dispersion, die interne/disperse Phase besteht in Rizinusöl.

  1. Die kontinuierliche Phase wird hergestellt, indem 2wt% Laponite® Pulver in 0,1 M NaCl (in Reinstwasser) mit einem Hielscher Ultraschallhomogenisator UP200St oder UP200Ht (200W, 26kHz), für wenige Minuten dispergiert wird.
  2. Um die o/w-Emulsion herzustellen, wird das Öl nach und nach mit einer Pipette in die wässrige Phase hizugefügt, wobei die Suspension mit dem Ultraschallgerät beschallt wird. Nach ca. 2 Minuten der Ultraschallemulgierung ist eine homogene und stabile Emulsion erzeugt. Während des Emulgierens wird die Probe in einem Eisbad gekühlt, um ein Erhitzen der Probe zu verhindern.
Die Ultraschallemulsifikation wird zur Bildung stabiler kosmetischer Emulsionen eingesetzt (Zum Vergrößern anklicken!).

Ultraschall-Emulgierung

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Um eine Emulsionen mit einem niedrigeren Volumenanteil herzustellen, kann die ursprüngliche Emulsion (φ = 0,70) mit 2wt% Laponite® Pulver in 0,1 M NaCl verdünnt werden.


Für die Verarbeitung und Produktion größerer Volumina bietet Hielscher für alle Labor und Industrie-Ultraschallanlagen spezielle Durchflusszellen, die es ermöglichen, im Durchflussverfahren sowohl Partikel zu dispergieren als auch Öl-Tröpfchen zu einer Nano-Emulsion zu emulgieren.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
0,5 bis 1,5 ml 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 UIP4000
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

Lesen Sie mehr über die Ultraschall-Herstellung von Pickering-Emulsionen!

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Literatur

  • Sargolzaei, J.; Mosavian, M.T.H.; Hassani, A. (2011): Modeling and Simulation of High Power Ultrasonic Process in Preparation of Stable Oil-in-Water Emulsion. Journal of Software Engineering and Applications 4, 2011. 259-267
  • Tabibiazar, M.; Davaran, S.; Hashemi, M.; Homayonirad, A.; Rasoulzadeh, F.; Hamishehkar, H.; Mohammadifar, M.A: (2015): Design and fabrication of a food-grade albumin-stabilized nanoemulsion. Food Hydrocolloids 44, 2015. 220-228.


Wissenswertes

Weshalb tensidfreie Emulsionen?

Die meisten Hautpflegeprodukte bestehen aus einer Mischung zweier oder mehrerer Stoffe, die nicht miteinander mischbar sind. Dies bedeutet, dass sie entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik inhärent instabil sind. Um eine stabile Mischung aus diesen nicht mischbaren Substanzen herzustellen, ist der Einsatz von Stabilisatoren erforderlich, um eine Emulsion mit einer entsprechenden Haltbarkeit zu erhalten. Ionische bzw. nichtionische Tenside werden häufig als Emulgatoren verwendet. Für Hautpflege-Produkte führt die Verwendung von niedermolekularen, amphiphilen Tensiden häufig zu Unverträglichkeiten bei empfindlicher Haut. Zudem ist eine steigende Nachfrage seitens der Konsumenten nach kosmetischen Produkten mit möglichst wenigen Zusatzstoffen zu verzeichnen. Die Inhaltsstoffe solcher Produkte ist auf die Wirkstoffe reduziert, welche die Haut pflegen und verzichten weitgehend auf Zusätze wie z.B. Emulgatoren, Düfte etc.
Tensidfreie / Emulgatorfreie Emulsionen eine attraktive Alternative zu herkömmlichen kosmetischen Formulierungen. Für kosmetische Pickering-Emulsionen werden in erster Linie Biopolymere sowie Feststoffpartikel als Stabilisatoren eingesetzt, um stabile Kosmetikprodukte mit angenehmen Produkteigenschaften zu erzeugen. Die Ultraschall-Emulgierung ist ein hervorragendes Verfahren, um stabile Nano- und Miniemulsionen sowie Pickering-Emulsionen herzustellen. Darüber hinaus wird Ultraschall für verschiedene weitere Anwendungen bei der Herstellung von kosmetischen Produkten eingesetzt, z.B. für die Dispersion von Pigmenten, das Lösen von Pulvern oder die Extraktion von Wirkstoffen.

Über kosmetische Emulsionen

Eine Emulsion ist ein Zwei-Phasen-System. Die Hauptbestandteile sind eine Ölphase und eine wässrige Phase.
Die wässrige Phase besteht aus Wasser plus einer beliebige Kombination von Stoffen, welche polar sind und sich (zumindest zu einem gewissen Grad) in Wasser lösen.
Die Ölphase besteht aus einem oder mehreren Ölen und evtl. weiteren Zusatzstoffen, welche unpolar sind und zumindest eine gewisse Löslichkeit in Öl aufweisen.

Öl-in-Wasser (o/w): Öltröpfchen in Wasser dispergiert; das Öl wird als interne oder dispergierte Phase bezeichnet, während die wässrige Phase als externe bzw. kontinuierliche Phase bezeichnet wird.
Wasser-in-Öl-Emulsion (w/o): Wassertropfen in Öl dispergiert; die wässrige Phase ist die interne bzw. dispergierte Phase und das Öl ist die externen bzw. kontinuierliche Phase.
w/o/w oder o/w/o werden als komplexe, multiple oder Mehrfach-Emulsionen bezeichnet.

Laponite®

Laponite® ist eine synthetisch hergestellte smektische Tonerde, welche ein klares, thixotropes Gel bildet, wenn es in Wasser dispergiert wird. Der pH-Wert einer 2%-Laponite®-Suspension liegt bei 9,8. Bei 2%-iger Konzentration bildet sich ein Gel.
Laponite® ist ein eingetragenes Markenzeichen der BYK Additive Ltd.