Dispersiones de nanopartículas en cera – ¡Prepare formulaciones estables!
La dispersión de nanopartículas en matrices de cera es una aplicación importante, aunque compleja, en recubrimientos, cosméticos, productos farmacéuticos y materiales de cambio de fase. Dadas la viscosidad intrínseca de las ceras fundidas, su hidrofobicidad y la tendencia de las nanopartículas a aglomerarse debido a sus elevadas energías superficiales, la preparación de dispersiones de nanopartículas en cera requiere conocimientos especializados. Los sonicadores Hielscher proporcionan la potencia de dispersión, el control preciso y la escalabilidad necesarios para producir dispersiones estables de nanopartículas en cera con equipos de sobremesa y a escala industrial.
Retos de la dispersión de nanopartículas en cera
Las nanopartículas –ya sean metálicas, cerámicas o de base carbonosa– forman agregados con facilidad debido a las fuertes interacciones de van der Waals. En la cera, estas interacciones se intensifican por la ausencia de disolventes polares o estabilizantes. La agitación mecánica o los homogeneizadores de rotor-estator suelen resultar insuficientes, especialmente cuando las nanopartículas tienen un diámetro inferior a 100 nm o cuando se requieren concentraciones elevadas. Una dispersión homogénea exige un aporte de energía capaz de romper los aglomerados a escala nanométrica y, al mismo tiempo, humectar la superficie de las partículas con el medio de cera.
Los sonicadores de sonda Hielscher producen nanoemulsiones estables de cera de parafina.
Mecanismo de la nanodispersión ultrasónica
La gran eficacia de la dispersión ultrasónica reside en el singular mecanismo de acción de la cavitación acústica. Los sonicadores de sonda generan intensas fuerzas de cavitación cuando las ondas ultrasónicas de alta intensidad y baja frecuencia se propagan por un líquido, como la cera fundida. El colapso de las burbujas durante la cavitación produce puntos calientes localizados con gradientes extremos de cizallamiento, ondas de choque y microchorros. Estas fuerzas transitorias vencen la adhesión entre partículas y desaglomeran eficazmente los grupos de nanopartículas.
Además, la ultrasonicación mejora la humectación de las superficies de las nanopartículas por la cera fundida. El colapso repetido de las burbujas de cavitación reduce la tensión interfacial, lo que permite que las moléculas de cera penetren entre las partículas y las estabilicen estéricamente.
Aplicaciones de las nanodispersiones de cera preparadas mediante ultrasonidos
La capacidad de dispersar nanopartículas de forma homogénea en cera abre la puerta a numerosas aplicaciones:
- Recubrimientos y productos de pulido: La adición de nanopartículas de sílice o alúmina aumenta la dureza, la resistencia al rayado y el brillo.
- Formulaciones cosméticas: Las nanopartículas de dióxido de titanio u óxido de zinc proporcionan protección UV y mantienen la transparencia.
- Materiales de cambio de fase (PCMs): El grafeno, los nanotubos de carbono o los óxidos metálicos aumentan la conductividad térmica, lo que mejora la eficiencia del almacenamiento de calor en los sistemas energéticos.
- Administración de fármacos: Las nanopartículas lipófilas incorporadas en cera actúan como reservorios de liberación lenta en formulaciones tópicas u orales.
Dispersores ultrasónicos para formulaciones de cera y nanopartículas
La dispersión ultrasónica con sonicadores de sonda Hielscher de alto rendimiento es una técnica robusta y escalable para producir nanodispersiones estables de cera.
Los sistemas ultrasónicos de sonda Hielscher se utilizan ampliamente para procesar nanopartículas gracias a su elevada capacidad de procesamiento, su control preciso de los parámetros y su escalabilidad lineal. Tanto si necesita preparar dispersiones de nanopartículas en cera por lotes como mediante producción continua en línea, Hielscher Ultrasonics ofrece la configuración de sonicación ideal: los homogeneizadores ultrasónicos de laboratorio son la herramienta perfecta para la investigación y el desarrollo de productos, mientras que las celdas de flujo ultrasónicas industriales permiten producir nanodispersiones estables de cera que cumplen los estándares de calidad más exigentes.
Fabricados conforme a los estándares de calidad más exigentes, los ultrasonicadores Hielscher combinan robustez, facilidad de uso y una integración sencilla en los procesos industriales. Diseñados para soportar entornos exigentes, incorporan tecnología de vanguardia, cuentan con certificación ISO y cumplen los requisitos de CE, UL, CSA y RoHS.
- alta eficiencia
- tecnología de vanguardia
- fiabilidad y robustez
- control del proceso ajustable y preciso
- por lotes y en línea
- para cualquier volumen
- software inteligente
- funciones inteligentes (p. ej., programación, registro de datos y control remoto)
- funcionamiento sencillo y seguro
- bajo mantenimiento
- CIP (limpieza in situ)
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores:
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 0,5 a 1,5 mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 a 150 L | 3 a 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | superior | conjunto de UIP16000hdT |
Sistema de emulsificación ultrasónica para la producción industrial de margarina
Bibliografía / Referencias
- 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.
Preguntas frecuentes
¿Qué es la cera?
La cera es una clase de materiales orgánicos e hidrófobos compuestos principalmente por hidrocarburos de cadena larga, ésteres, ácidos grasos y alcoholes. Son sólidos a temperatura ambiente, tienen puntos de fusión relativamente bajos y se ablandan al calentarse.
¿Cuáles son los distintos tipos de ceras?
Los distintos tipos de ceras incluyen ceras naturales, como la cera de abejas, la de carnauba y la de candelilla; ceras minerales derivadas del petróleo o del lignito, como la parafina, la cera microcristalina y la cera montana; y ceras sintéticas, como las de polietileno, Fischer–Tropsch y amidas.
¿Para qué se utilizan las ceras?
Las ceras se utilizan ampliamente en diversos sectores industriales. Proporcionan protección superficial en recubrimientos y productos de pulido, actúan como agentes estructurantes y aglutinantes en cosméticos y productos farmacéuticos, sirven como agentes desmoldeantes y recubrimientos protectores en la industria alimentaria y funcionan como lubricantes, adhesivos y materiales de cambio de fase para el almacenamiento de energía en aplicaciones técnicas.
¿Cuál es la polaridad de las distintas ceras?
La polaridad de las ceras varía según su composición química. Las ceras de parafina y polietileno son mayoritariamente apolares; las ceras de abejas y carnauba presentan una polaridad débil debido a los ésteres y los ácidos grasos libres; y la cera montana o determinadas ceras sintéticas muestran una polaridad moderada debido a los grupos funcionales carboxílicos y amida.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde la escala de laboratorio hasta la escala industrial.