Wachsemulsionen mit Leistungsultraschall
Wird Wachs in Form von Nanotröpfchen mit einer sehr homogenen Verteilung dispergiert, entsteht eine stabile Wachsemulsion. Ultraschallhomogenisatoren erzeugen hohe Scherkräfte und sind zuverlässige, robuste Systeme zur Herstellung stabiler Wachs-Nanoemulsionen. Die High-Shear-Homogenisatoren von Hielscher Ultrasonics liefern hochwertige Emulsionen für verschiedene Branchen.
Wachsemulsionen durch Ultraschall
Die durch Ultraschall erzeugten hohen Scherkräfte liefern die erforderliche Energie zur Herstellung nanoskaliger Wachsemulsionen, z.B. stabiler Paraffinwachs-Nanoemulsionen.
Submikron- und Nanoemulsionen sowie entsprechende Dispersionen können durch die Kombination verschiedener Wachse formuliert werden, um ein hochwertiges Produkt mit ausgeprägten funktionellen Eigenschaften zu erhalten (z.B. Schmierwirkung, Wasserbeständigkeit, Kratzfestigkeit usw.).
Die hohen Scherkräfte von Ultraschallhomogenisatoren ermöglichen die Herstellung stabiler, gebrauchsfertiger Wachsformulierungen mit Partikeln im Gleichgewicht. Die Ultraschallemulgierung führt zu nanoskaligen Partikeln und einer gleichmäßigen Verteilung.
Industrielles Ultraschall-Durchflusssystem zur Herstellung von Wachsemulsionen.
- sehr kleine Tröpfchengrößen von weniger als 100nm
- stabile Emulsionen
- verlängerte Haltbarkeit (mechanische Stabilität)
- höhere Wirksamkeit
- präzise Prozesssteuerung
Paraffinwachs-Nanoemulsion durch Ultraschall
So stellen Sie eine stabile Paraffinwachsemulsion her
Die nanoskalige Wachsemulsion wird aus geschmolzenem Paraffinwachs (als Ölphase), destilliertem Wasser und anionischem SDS als Tensid formuliert. Zur Herstellung einer groben Vormischung werden Wachs, Wasser und Tensid mit einem Magnetrührer bei 1000 rpm homogenisiert. Dazu werden das Tensid (Konzentration: 10 mg/ml Emulsion) und Wasser in einem Becherglas gemischt und auf etwa 65–70ºC erhitzt. Anschließend wird das Paraffinwachs unter magnetischem Rühren tropfenweise zugegeben, wobei ein Volumenanteil der Ölphase von 0,2 eingehalten wird.
Nach vollständiger Zugabe des Paraffinwachses wird die grob vorgemischte Emulsion mit einem Tisch-Ultraschallhomogenisator UIP1000hdT (1000W, 20kHz) etwa 15 min lang beschallt. Die Ultraschallemulgierung erzeugt eine Wachs-Nanoemulsion mit sehr hoher Stabilität.
Erfahren Sie mehr über die Herstellung von Paraffinwachsemulsionen durch Ultraschallbehandlung!
Mit dem Hielscher UP400St durch Ultraschall hergestellte Nanoemulsionen
Tenside
Wachsemulsionen lassen sich entweder durch einen sterischen Mechanismus (mit nichtionischen Emulgatoren) oder durch einen elektrostatischen Mechanismus (mit ionischen, meist anionischen Emulgatoren) stabilisieren. Die Kombination anionischer und nichtionischer Emulgatoren verleiht der Emulsion optimale Stabilität, da die Wachspartikel durch beide Stabilisierungsmechanismen geschützt werden. Dies wird als elektrosterischer Stabilisierungsmechanismus bezeichnet.
Für die Emulgierung von Wachsen können verschiedene anionische, kationische oder nichtionische Emulgatoren bzw. Tenside eingesetzt werden. Am häufigsten werden Fettalkoholethoxylate als nichtionische Tenside verwendet, da sie eine außergewöhnliche Stabilität gegenüber hartem Wasser, abrupten pH-Änderungen und Elektrolyten bieten. Für weitere spezifische Materialeigenschaften werden verschiedene andere Tenside eingesetzt, z.B. anionische Tenside für eine höhere Hydrophobie oder kationische Tenside für eine bessere Haftung.
Hinweis: Je kleiner die Tröpfchen sind, desto mehr Tensid wird benötigt, um ihre Oberfläche zu bedecken, da das V/S-Verhältnis von Kugeln wie folgt lautet: S/V = 3/R. Bei einer Vergrößerung der Länge oder des Radius um den Faktor x, also x*l oder x*r, vergrößert sich die Oberfläche um den Faktor x zum Quadrat (x2) und das Volumen um den Faktor x hoch drei (x3).
Formulieren mit Wachsemulsionen und Wachsdispersionen
Ultraschallhomogenisatoren werden nicht nur zur Herstellung von Wachsemulsionen / Wachsdispersionen eingesetzt – sie dienen auch dazu, Wachsemulsionen in weiteren Verarbeitungsschritten als Additiv in das Endprodukt einzuarbeiten (z.B. Beschichtungen, Lacke, Farben, Kosmetika usw.).
Robuste Ultraschallhomogenisatoren für stabile Wachsemulsionen
Hielscher Ultrasonics ist ein weltweit renommierter Anbieter von Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren. Unsere Ultraschallgeräte sind weltweit als zuverlässige und robuste „Arbeitspferde“ in der Chemie-, Pharma-, Kosmetik- und Lebensmittelindustrie im Einsatz. Die industriellen Ultraschallgeräte von Hielscher können kontinuierlich sehr hohe Amplituden von bis zu 200µm liefern (auf Anfrage auch höher), um intensive Kavitation und hohe Scherung zu erzeugen. Dadurch entstehen ultrafeine Nanoemulsionen und Dispersionen mit sehr engen Partikelgrößenverteilungen. Unsere Hochleistungs-Ultraschallsysteme helfen Ihnen, eine hervorragende Qualität Ihrer Wachsformulierungen zu erzielen.
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Ultraschallgerät UP400St mit Sonotrode zur Herstellung stabiler Wachsemulsionen.
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 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 | Verbund mehrerer UIP16000hdT |
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Leistungsstarker 1,5kW-Ultraschallhomogenisator UIP15000hdT mit Durchflusszelle für die Inline-Emulgierung.
Literatur / Quellen
- 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 werden als eine vielfältige Klasse organischer Verbindungen definiert, die bei Temperaturen nahe der Umgebungstemperatur hydrophobe, verformbare Feststoffe sind. Wachse bestehen aus verschiedenen Komponenten, darunter Kohlenwasserstoffe (unverzweigte 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. Im Allgemeinen enthalten Wachse jedoch einen relativ hohen Anteil an Alkanen, und die Kohlenwasserstoffe weisen lange oder sehr lange Kohlenstoffketten auf (von 12 bis etwa 38 Kohlenstoffatomen). Sie sind in einem großen Temperaturbereich fest (Schmelzpunkt zwischen 60°C und 100°C). Beim Schmelzen gehen sie in eine Flüssigkeit mit niedriger Viskosität über.
Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie in Wasser unlöslich, in organischen, unpolaren Lösungsmitteln jedoch löslich sind. Man unterscheidet natürliche (pflanzlichen oder tierischen Ursprungs), halbsynthetische und synthetische Wachse.
Erdöl ist der wichtigste Ausgangsstoff für die kommerzielle Herstellung von Wachsen.
Die beiden wichtigsten Arten von Erdölwachsen sind Paraffinwachse und mikrokristalline Wachse:
Paraffinwachse haben meist eine weiße, geruchlose, geschmacklose, wachsartige, feste Konsistenz mit einem typischen Schmelzpunkt zwischen 46°C und 68°C (115°F und 154°F) und einer Dichte von etwa 900 kg/m3. Sie besitzen eine makrokristalline Struktur und sind in Wasser unlöslich, jedoch in Ether, Benzol und bestimmten Estern löslich. Paraffinwachse werden aus Erdöl gewonnen und enthalten zwischen 20 und 40 Kohlenstoffatome.
Mikrokristallines Wachs, auch als Petrolatum bekannt, wird aufgrund seines Geruchs, seiner Farbe, seines Ölgehalts, seiner Konsistenz und seines Ölbindevermögens für vielfältige Anwendungen eingesetzt.
α-Olefinwachse werden entweder synthetisch aus Ethylen durch Fischer-Tropsch-Synthese mit einem Ziegler-Natta-Katalysator oder durch Oligomerisierung von Ethylen hergestellt. Alpha-Olefinwachse werden am häufigsten in Schmieröladditiven, PVC-Schmiermitteln, Kerzen, Chemikalien für Erdölbohrungen und Kosmetika verwendet.
Polyethylenwachs (PE-WAX) ist ein Polyethylen mit ultraniedrigem Molekulargewicht (ULMWPE), das aus Ketten von Ethylenmonomeren besteht. Polypropylenwachs (PP-WAX) ist ein synthetisches, kristallines Harz mit niedrigem Molekulargewicht.
Sowohl Polyethylen- als auch Polypropylenwachse sind Homopolymere und werden hauptsächlich zur Formulierung von Farbmitteln für Kunststoffe verwendet.
Copolymerwachse wie Derivate von Ethylenvinylacetat (EVA) und Ethylenacrylsäure (EAA) sind in Beschichtungsformulierungen weit verbreitet, z.B. in Metallic-Basislacken.
Wachse und Wachsadditive werden häufig eingesetzt, um einem Produkt Schmier- bzw. Gleiteigenschaften, rheologische Eigenschaften, Abriebfestigkeit, Antiblock- bzw. Barriereeigenschaften, Glanz oder Mattierung, Oxidationsbeständigkeit und/oder wasserabweisende Eigenschaften zu verleihen.
Wachse sind in vielen Branchen weit verbreitete Bestandteile, etwa bei der Herstellung von Chemikalien (z.B. Fein- und Spezialchemikalien), Beschichtungen, Farben und Druckfarben, Additiven und Modifikatoren, Klebstoffen, Kunststoffen und PVC, Reifen und Gummi, im Bauwesen sowie bei der Herstellung thermostatischer Regelgeräte, Verpackungen, Lebensmittel und Kosmetika.
Natürliche Wachse:
- Tierische Wachse: Bienenwachs, Lanolin, Talg, Schellack, Walrat
- Pflanzliche Wachse: Carnauba-, Candelilla-, Soja-, Rizinus-, Reiskleie-, Gagel- und Jojobawachs usw.
Mineralwachse:
- Fossile Wachse: Ceresin, Montanwachs, Ozokerit, Torfwachs
- Erdölwachse: Paraffin, mikrokristalline Wachse, z.B. Petrolatum
Synthetisch hergestellte Wachse:
Synthetische Wachse: Ethylenpolymere, z.B. Polyethylen und Polyoletherester; Polyolefinwachse; Fettsäureamidwachse; chlorierte Naphthaline; Kohlenwasserstoffwachse, z.B. Fischer-Tropsch-Wachse.
Was ist eine Wachsemulsion?
Eine Wachsemulsion / Wachsdispersion ist eine stabile Mischung aus einem oder mehreren Wachsen in Wasser. Da Wachse und wässrige Flüssigkeiten normalerweise nicht mischbar sind, werden Tenside und ein ausgefeiltes Mischverfahren, z.B. Leistungsultraschall, benötigt, um eine stabile Wachsemulsion herzustellen. Fachlich korrekt muss eine Wachsemulsion als Wachsdispersion bezeichnet werden, da Wachse bei Raumtemperatur fest sind. Da Wachsemulsionen / Wachsdispersionen jedoch mit geschmolzenen Wachsen hergestellt werden, werden für wässrige Wachsformulierungen meist die Begriffe „Emulgierung“ und „Wachsemulsion“ verwendet, während der Begriff „Wachsdispersion“ überwiegend eine lösungsmittelbasierte Wachsformulierung bezeichnet.
Was ist eine Emulsion?
Eine Emulsion ist eine Flüssig-in-Flüssig-Dispersion aus zwei oder mehr nicht mischbaren Flüssigkeiten.
Emulsionen können in verschiedenen Typen vorliegen: w/o, o/w, w/o/w, o/w/o.
Der Emulsionstyp (w/o oder o/w) kann mit einem Verdünnungstest untersucht werden. Die Emulsion lässt sich nur mit der kontinuierlichen / äußeren Phase verdünnen. Eine weitere Methode zur Bestimmung des Emulsionstyps ist die Leitfähigkeitsprüfung. Ionische o/w-Emulsionen leiten keinen elektrischen Strom, während o/w-Emulsionen elektrischen Strom leiten.
Für den CoCl2 -Filterpapiertest wird ein Filterpapier mit CoCl2 imprägniert und getrocknet (blaue Färbung). Die Farbe des CoCl2 -Filterpapiers schlägt bei Zugabe einer o/w-Emulsion nach Rosa um.
Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für den Einsatz vom Labor bis zum Industriemaßstab her.