Wachsemulsionen mit Power-Ultraschall
Wenn Wachs in Form von Nanotröpfchen mit einer sehr homogenen Verteilung dispergiert wird, erhält man stabile Wachsemulsionen. Ultraschall-Homogenisatoren erzeugen hohe Scherkräfte und sind zuverlässige und robuste Systeme zur Herstellung stabiler Wachs-Nanoemulsionen. Hielscher Ultrasonics High-Shear-Homogenisatoren liefern hervorragende Emulsionen für verschiedene Industrien.
Wachsemulsionen mittels Ultraschall
Ultraschall erzeugt sehr hohe Scherkräfte, welche die nötige Energie liefern, um nano-skalige Wachsemulsionen, wie z.B. stabile Paraffinwachs-Nanoemulsionen, herzustellen.
Für die Herstellung submikron- bzw. nano-skaliger Emulsionen und Dispersionen können verschiedene Wachse verwendet werden, um ein hochwertiges Endprodukt mit sehr hoher Funktionalität (z.B. Schmierfähigkeit, Wasserbeständigkeit, Kratzfestigkeit, etc.) zu erhalten.
Die hohen Scherkräfte der Ultraschallhomogenisatoren ermöglichen es, schnell und einfach stabile Ready-to-Use Wachsformulierungen herzustellen. Mittels der Ultraschall-Emulgierung werden Nanopartikel sowie deren gleichmäßige Verteilung erzeugt.
Industrielles Ultraschall-Durchflusssystem für die Herstellung von Wachsemulsionen.
- sehr kleine Tröpfchengrößen mit weniger als 100nm
- stabile Emulsionen
- längere Haltbarkeit (mechanische Stabilität)
- gesteigerte Effizienz
- Präzise Prozesssteuerung
Ultraschall-formulierte Paraffinwachs-Nanoemulsion
Anleitung zur Herstellung einer stabilen Paraffinwachs-Emulsion
Die Wachsemulsion in Nanogröße wird aus geschmolzenem Paraffinwachs (als Ölphase), destilliertem Wasser und anionischem SDS als Tensid hergestellt. Um eine grobe Vormischung zu bilden, werden Wachs, Wasser und Tensid mit einem Magnetrührer bei 1000 U/min homogenisiert. Dazu werden das Tensid (Konzentration 10 mg/ml Emulsion) und Wasser in einem Becherglas vermischt und auf ca. 65-70ºC erhitzt. Dann wird das Paraffinwachs tropfenweise unter Beibehaltung eines Volumenanteils von 0,2 in der Ölphase unter Magnetrühren zugegeben.
Nach vollständiger Zugabe des Paraffinwachses wird die grob vorgemischte Emulsion Beschallung mit einem Tisch-Ultraschallhomogenisator UIP1000hdT (1000W, 20kHz) für ca. 15 min. Der Ultraschall-Emulgierprozess führt zu einer Nano-Wachsemulsion mit einer sehr hohen Stabilität.
Lesen Sie mehr über die Paraffinemulsion durch Beschallung!
Ultraschall-Nanoemulsionen hergestellt mit dem Hielscher UP400St
Emulgatoren & Tenside
Wachsemulsionen können entweder durch sterischen Mechanismus (mit nichtionischen Emulgatoren) oder durch elektrostatischen Mechanismus (mit ionischen Emulgatoren, meist anionischen Stoffen) stabilisiert werden. Die Kombination aus anionischen und nichtionischen Emulgatoren ermöglicht es, Emulsionen mit hervorragender Stabilität herzustellen, da die Wachspartikel durch zwei verschiedene Mechanismen stabilisiert werden. Dieser Stabilisierungsmechanismus wird als elektrosterische Stabilisierung bezeichnet.
Für die Emulgierung von Wachsen können verschiedene Emulgatoren und Tenside, welche sowohl nichtionisch, anionisch oder kationisch sein können, verwendet werden. Zu den am häufigsten verwendeten nihtionischen Tensiden gehören die Fettalkoholethoxylate (FAEO), da sie außerordentlich robust gegen hartes Wasser, stoßartige pH-Wert–Schwankungen und Elektrolyte sind. Für andere spezifischen Anforderungen stehen viele verschiedene Emulgatoren zur Auswahl, z.B. anionische Tenside für verbessere Hydrophobie oder kationischen Tenside für bessere Haftfähigkeit.
Hinweis: Je kleiner die Tröpfchen der Emulsion sind, umso mehr Tensid ist erforderlich, um die Tropfenoberfläche zu benetzen, da sich das V/S-Verhältnis eines sphärischen Körpers verhält: S/V = 3/R. Für jede Zunahmen x*l oder x*r bei der Länge oder dem Radius, nimmt die Oberfläche x in der zweiten Potenz (x2) zu und das Volumen x vergrößert sich mit der dritten Potenz (x3)
Formulierungen mit Wachsemulsionen und -dispersionen
Ultraschallhomogenisatoren werden nicht nur zur Herstellung von Wachsemulsionen? -dispersionen eingesetzt – sie liefern auch bei der Weiterverarbeitung der Wachsemulsionen in nachgelagerten Prozessen, bei denen die Wachsmulsion als Additiv in ein Endprodukt (z.B. Beschichtungen, Lacken, Farben, Kosmetika etc.) eingemischt wird, hervorragende Ergebnisse.
Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren für stabile Wachsemulsionen
Hielscher Ultrasonics' Ultraschallsysteme genießen weltweites Renommee als zuverlässiges und robustes „Arbeitstier“ in der chemischen, pharmazeutischen, kosmetischen und Lebensmittelindustrie. Hielscher-Ultraschallgeräte in Industriequalität sind in der Lage, kontinuierlich sehr hohe Amplituden von bis zu 200µm (und bei Bedarf auch mehr) zu liefern, um intensive Kavitation und hohe Scherung zu erzeugen. Dadurch werden ultrafeine Nano-Emulsionen und Dispersionen mit sehr engen Partikelverteilungen erzeugt. Unsere Hochleistungs-Ultraschallsysteme helfen Ihnen, eine hervorragende Qualität Ihrer Wachsformulierungen zu erzielen.
Die Robustheit der Hielscher-Sonicatoren ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Ultraschallstab UP400St für die Herstellung von stabilen Wachsemulsionen.
| Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
|---|---|---|
| 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 150 Liter | 3 bis 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000hdT |
| n.a. | größere | Cluster aus UIP16000hdT |
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Leistungsstarker 1,5-kW-Ultraschall-Homogenisator UIP15000hdT mit Durchflusszelle für die Inline-Emulgierung.
Literatur? Literaturhinweise
- 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.
Wissenswertes
Was ist Wachs? Wofür werden Wachse verwendet?
Wachse sind definiert als eine vielfältige Klasse organischer Verbindungen, die hydrophobe, verformbare Feststoffe bei Temperaturen nahe der Umgebungstemperatur sind. Wachse setzen sich aus verschiedenen Komponenten zusammen, darunter Kohlenwasserstoffe (normale oder verzweigte Alkane und Alkene), Ketone, Diketone, primäre und sekundäre Alkohole, Aldehyde, Sterolester, Alkansäuren, Terpene (Squalen) und Monoester (Wachsester). Die chemische Zusammensetzung von Wachsen ist komplex und variiert, aber im Allgemeinen enthalten Wachse einen relativ hohen Anteil an Alkanen und die Kohlenwasserstoffe haben lange oder sehr lange Kohlenstoffketten (von 12 bis zu etwa 38 Kohlenstoffatomen). Sie sind in einem großen Temperaturbereich fest (Schmelzpunkt zwischen 60°C und 100°C). Wenn sie geschmolzen werden, verwandeln sie sich in eine Flüssigkeit mit niedriger Viskosität.
Wachse sind in Wasser nicht löslich, aber haben eine gute Löslichkeit in unpolaren, organischen Lösungsmitteln. Wachse werden in natürliche (pflanzlichen oder tierischen Ursprungs), halbsynthetische und synthetische Wachse unterschieden.
Für die kommerzielle Wachsherstellung ist Rohöl der wichtigste Rohstoff.
Die zwei wichtigsten Erdölwachse sind Paraffin und mikrokristalline Wachse:
Paraffinwachse weisen meist eine weiße, geruchlose, geschmacklose, wachsartige feste Konsistenz auf und haben typischerweise einen Schmelzpunkt zwischen 46°C und 68°C (115°F und 154°F) sowie eine Dichte von ca. 900 kg/m3. Paraffinwachs hat eine mikrokristalline Struktur und ist in Wasser unlöslich, löst sich jedoch in Ether, Benzol und bestimmten Estern. Paraffinwachse werden aus Rohöl gewonnen und besitzen zwischen 20 und 40 Kohlenstoffatome.
Mikrokristallines Wachs, auch bekannt als Vaseline, wird aufgrund seiner Geruchs- & Farbeigenschaften, seines Ölgehaltes, seiner Konsistenz und Ölbindungseigenschaft für vielfältige Anwendungen eingesetzt.
α-Olefin Wachse werden entweder per Fischer-Tropsch-Synthese unter Verwendung eines Ziegler-Natta-Katalysators hergestellt oder via Ethylen-Oligomerisierung synthetisiert. Alpha-Olefin-Wachse werden meist in Schmieröl-Additiven, PVC-Schmierstoffen, Kerzen, Ölbohrungs-Chemikalien und Kosmetika verarbeitet.
Polyethylenwachs (PE-Wachs) ist ein Polyäthylen mit ultra-niedermolkularem Gewicht (ULMWPE), welches aus Ethylen-Monomerketten besteht. Polypropylenwachs (PP-Wachs) ist ein synthetisches, kristallines niedermolekulares Harz.
Sowohl Olyethylene als auch Polypropylenwachse zählen zu den Homopolymeren und werden hauptsächlich für die Formulierung von Farbstoffen in Kunststoffen eingesetzt.
Copolymer-Wachse , wie z.B. Ethylen-Vinylacetat- (EVA) und Ethylen-Acrylsäure- (EAA) Derivate, kommen vor allem in Beschichtungen, z.B. metallischen Basislacken, zum Einsatz.
Der Einsatz von Wachsen und Wachsadditiven ist weit verbreitet, um einem Produkt Eigenschaften wie Schmierung, Rheologie, Abriebfestigkeit, Barrierewirkung, Glanz oder Mattierung, Oxidationsbeständigkeit und/oder Wasserabweisungsvermögen zu verleihen.
Wachse sind somit eine weit verbreiteter Zusatzstoff in vielen Branchen, wie z.B. bei der Herstellung von Chemikalien (z.B. Fein- & Spezialchemie), Lacken, Farben & Tinten, Additiven & Modifikatoren, Klebstoffen, Kunststoffen & PVC, Reifen & Belägen, Bau- & Konstruktionsmaterialien, thermostatischen Steuergeräten, Verpackungen, Lebensmitteln und Kosmetika.
Natürliche Wachse:
- Tierische Wachse: Bienenwachs, Lanolin, Talg, Schellack, Spermaceti
- Pflanzliche Wachse: Carnauba, Candelilla, Soja, Castor, Reiskleie, Myrtenwachs, Jojoba etc.
Mineralwachse:
- Fossile Wachse: Ceresin, Montan, Ozokerit, Torfwachs
- Petroleumwachse: Paraffin, mikrokristalline Wachse, z.B. Vaseline
Synthetisierte Wachse:
Synthetische Wachse: Ethylen-Polymere, z.B. Polyethylen- & Polyoletherester; Polyolefinwachse; Fettsäureamidwachse; chlorierte Naphthaline; Kohlenwasserstofftyp, z. B. Fischer-Tropsch.
Was ist eine Wachsemulsion?
Eine Wachsemulsion? Wachsdispersion ist eine stabile Mischung aus einem oder mehreren Wachsen in Wasser. Da Wachse und Wasser normalerweise nicht mischbar sind, sind Tenside sowie eine leistungsstarke Mischtechnologie, z.B. Hochleistungs-Ultraschall, notwendig, um eine stabile Wachs-Emulsion herzustellen. Bei genauer Betrachtung handelt es sich bei einer Wachsemulsion um eine Dispersion, weil Wachse bei Raumtemperatur einen festen Aggregatzustand aufweisen. Da Wachsemulsionen bzw. -dispersionen aus geschmolzenem Wachs hergestellt werden, wird meist der Begriff „Emulgierung“ und „Wachsemulsion“ verwendet, wenn eine wasserbasierte Wachs-Formulierungen gemeint ist. Der Begriff „Wachsdispersion“ wird hingegen meist dann verwendet, wenn es sich um eine lösungsmittel-basierte Wachs-Formulierung handelt.
Was ist eine Emulsion?
Eine Emulsion ist eine Dispersion, welche aus mindestens zwei nicht-mischbaren Flüssigkeiten besteht.
Eine Emulsion kann in verschiedenen Formen vorliegen: w/o, o/w, w/o/w, o/w/o
Die Struktur einer Emulsion (w/o oder o/w) kann mittels eines Verdünnungstests bestimmt werden. Eine Emulsion kann immer nur mit der kontinuierlichen? externen Phase verdünnt werden. Eine andere Methode zur Identifizierung des Emulsionstyps ist Prüfung der Leitfähigkeit. Ionische o/w-Emulsionen sind nicht leitfähig, während o/w-Emulsionen elektrischen Strom leiten.
Bei der Anwendung eines CoCl2 Filterpapiertests wird ein Filterpapier wird mit CoCl2 imprägniert und getrocknet (blaue Farbe). Die Farbe des CoCl2 -getränkten Filterpapiers verfärbt sich rosa, wenn das Fiterpapier mit einer o/w-Emulsion getränkt wird.
Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.