Emulsiones de cera con ultrasonidos de potencia
Cuando la cera se dispersa en forma de nanogotas con una distribución muy homogénea, se obtiene una emulsión de cera estable. Los homogeneizadores ultrasónicos generan elevadas fuerzas de cizallamiento y son sistemas fiables y robustos para producir nanoemulsiones de cera estables. Los homogeneizadores de alto cizallamiento de Hielscher Ultrasonics proporcionan emulsiones de calidad superior para diversos sectores.
Emulsiones de cera por ultrasonidos
Las elevadas fuerzas de cizallamiento generadas por ultrasonidos aportan la energía necesaria para producir emulsiones de cera de tamaño nanométrico, por ejemplo, nanoemulsiones estables de cera de parafina.
Se pueden formular emulsiones y dispersiones submicrométricas y nanométricas mediante una combinación de diversas ceras para obtener un producto superior con propiedades funcionales muy destacadas (por ejemplo, lubricación, resistencia al agua, resistencia al rayado, etc.).
Las elevadas fuerzas de cizallamiento de los homogeneizadores ultrasónicos permiten producir formulaciones de cera estables y listas para usar, con partículas en equilibrio. La emulsificación ultrasónica produce partículas de tamaño nanométrico y una distribución uniforme.
Sistema ultrasónico industrial de flujo continuo para la producción de emulsiones de cera.
- tamaños de gota muy pequeños, inferiores a 100 nm
- emulsiones estables
- mayor vida útil (estabilidad mecánica)
- mayor eficacia
- control preciso del proceso
Nanoemulsión de cera de parafina por ultrasonidos
Cómo preparar una emulsión estable de cera de parafina
La emulsión de cera de tamaño nanométrico se formula con cera de parafina fundida (como fase oleosa), agua destilada y SDS aniónico como tensioactivo. Para formar una premezcla gruesa, la cera, el agua y el tensioactivo se homogeneizan con un agitador magnético a 1000 rpm. Para ello, el tensioactivo (concentración de 10 mg/ml de emulsión) y el agua se mezclan en un vaso de precipitados y se calientan a aprox. 65–70ºC. A continuación, se añade la cera de parafina gota a gota, manteniendo una fracción volumétrica de la fase oleosa de 0,2 bajo agitación magnética.
Una vez añadida toda la cera de parafina, la emulsión premezclada gruesa se somete a sonicación con un homogeneizador ultrasónico de sobremesa UIP1000hdT (1000 W, 20 kHz) durante aprox. 15 min. El proceso de emulsificación ultrasónica produce una nanoemulsión de cera con una estabilidad muy elevada.
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Nanoemulsiones ultrasónicas preparadas con el UP400St de Hielscher
Tensioactivos
Las emulsiones de cera pueden estabilizarse mediante un mecanismo estérico (utilizando emulsionantes no iónicos) o mediante un mecanismo electrostático (utilizando emulsionantes iónicos, generalmente aniónicos). La combinación de emulsionantes aniónicos y no iónicos proporciona a la emulsión una estabilidad óptima, ya que las partículas de cera quedan protegidas mediante ambos mecanismos de estabilización. Esto se denomina mecanismo de estabilización electroestérica.
Para la emulsificación de ceras pueden utilizarse diversos emulsionantes o tensioactivos, que pueden ser aniónicos, catiónicos o no iónicos. Los tensioactivos más utilizados son los alcoholes grasos etoxilados como tensioactivos no iónicos, ya que ofrecen una estabilidad extraordinaria frente al agua dura, los cambios bruscos de pH y los electrolitos. Para obtener otras características específicas del material se utilizan otros tensioactivos, por ejemplo, tensioactivos aniónicos para mejorar la hidrofobicidad o tensioactivos catiónicos para mejorar la adhesión.
Nota: Cuanto más pequeñas son las gotas, más tensioactivo se necesita para cubrir su superficie, ya que la relación V/S de las esferas es la siguiente: S/V = 3/R. Para cualquier aumento, x*l o x*r, de la longitud o del radio, el aumento del área superficial es x al cuadrado (x2) y el aumento del volumen es x al cubo (x3).
Formulación con emulsiones y dispersiones de cera
Los homogeneizadores ultrasónicos no solo se utilizan para formar emulsiones / dispersiones de cera – también se utilizan para procesar las emulsiones de cera en etapas posteriores e incorporar la emulsión como aditivo al producto final (por ejemplo, recubrimientos, lacas, pinturas, cosméticos, etc.).
Homogeneizadores ultrasónicos para servicio intensivo para emulsiones de cera estables
Hielscher Ultrasonics es un proveedor de homogeneizadores ultrasónicos de alta potencia reconocido en todo el mundo. Nuestros ultrasonicadores se utilizan en todo el mundo como equipos de trabajo fiables y robustos en las industrias química, farmacéutica, cosmética y alimentaria. Los ultrasonicadores industriales de Hielscher son capaces de proporcionar de forma continua amplitudes muy elevadas de hasta 200 µm (y superiores bajo demanda) para generar una cavitación intensa y un elevado cizallamiento. Como resultado, se producen nanoemulsiones y dispersiones ultrafinas con distribuciones de tamaño de partícula muy estrechas. Nuestros sistemas de ultrasonidos de alta potencia le ayudan a obtener una calidad superior en sus formulaciones de cera.
La robustez de los sonicadores de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en servicio intensivo y en entornos exigentes.
Sonicador de sonda UP400St para la preparación de emulsiones de cera estables.
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 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. | mayor | conjunto de UIP16000hdT |
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Potente homogeneizador ultrasónico UIP15000hdT de 1,5 kW con celda de flujo para la emulsificación en línea.
Bibliografía / Referencias
- 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.
Datos de interés
¿Qué es la cera? ¿Para qué se utilizan las ceras?
Las ceras se definen como una clase diversa de compuestos orgánicos que son sólidos hidrófobos y maleables a temperaturas próximas a la temperatura ambiente. Las ceras están compuestas por diversos componentes, como hidrocarburos (alcanos y alquenos lineales o ramificados), cetonas, dicetonas, alcoholes primarios y secundarios, aldehídos, ésteres de esteroles, ácidos alcanoicos, terpenos (escualeno) y monoésteres (ésteres de cera). La composición química de las ceras es compleja y variable, pero, en general, contienen una proporción relativamente alta de alcanos y sus hidrocarburos tienen cadenas de carbono largas o muy largas (de 12 a aproximadamente 38 átomos de carbono). Son sólidas en un amplio intervalo de temperaturas (punto de fusión entre 60 °C y 100 °C). Al fundirse, se convierten en un líquido de baja viscosidad.
Se caracterizan por su insolubilidad en agua y su solubilidad en disolventes orgánicos apolares. Las ceras pueden clasificarse en naturales (de origen vegetal o animal), semisintéticas y sintéticas.
El petróleo crudo es la principal fuente para la producción comercial de ceras.
Los dos tipos más importantes de ceras de petróleo son las ceras de parafina y las microcristalinas:
Las ceras de parafina suelen presentar una consistencia sólida y cerosa, de color blanco, inodora e insípida, con un punto de fusión típico entre 46 °C y 68 °C (115 °F y 154 °F) y una densidad de aprox. 900 kg/m3. Presentan una estructura macrocristalina y son insolubles en agua, pero solubles en éter, benceno y determinados ésteres. Las ceras de parafina se obtienen del petróleo crudo y contienen entre 20 y 40 átomos de carbono.
La cera microcristalina, también conocida como petrolato, se utiliza en múltiples aplicaciones debido a su olor, color, contenido de aceite, consistencia y capacidad de retención de aceite.
Las ceras de α-olefinas se obtienen sintéticamente a partir de etileno, mediante síntesis Fischer-Tropsch con un catalizador Ziegler-Natta o mediante oligomerización del etileno. Las ceras de alfa-olefinas se utilizan principalmente en aditivos para aceites lubricantes, lubricantes para PVC, velas, productos químicos para la perforación petrolífera y cosméticos.
La cera de polietileno (PE-WAX) es un polietileno de peso molecular ultrabajo (ULMWPE) formado por cadenas de monómeros de etileno. La cera de polipropileno (PP-WAX) es una resina sintética cristalina de bajo peso molecular.
Tanto las ceras de olyethylene como las de polipropileno son homopolímeros y se utilizan principalmente para formular colorantes para plásticos.
Las ceras de copolímeros como los derivados de etileno-acetato de vinilo (EVA) y etileno-ácido acrílico (EAA) se utilizan ampliamente en las formulaciones de recubrimientos, por ejemplo, en capas base metalizadas.
Las ceras y los aditivos de cera se utilizan ampliamente para conferir a un producto lubricación/deslizamiento, propiedades reológicas, resistencia a la abrasión, propiedades antibloqueo/de barrera, brillo o efecto mate, resistencia a la oxidación y/o repelencia al agua.
Las ceras son un componente ampliamente utilizado en numerosos sectores, como la producción de productos químicos (por ejemplo, química fina y de especialidades), recubrimientos, pinturas y tintas, aditivos y modificadores, adhesivos, plásticos y PVC, neumáticos y cauchos, construcción y edificación, dispositivos de control termostático, envases, alimentos y cosméticos.
Ceras naturales:
- Ceras animales: cera de abejas, lanolina, sebo, goma laca, espermaceti
- Ceras vegetales: carnauba, candelilla, soja, ricino, salvado de arroz, arrayán de cera, jojoba, etc.
Ceras minerales:
- Ceras fósiles: ceresina, cera montana, ozoquerita, cera de turba
- Ceras de petróleo: parafina, ceras microcristalinas, por ejemplo, petrolato
Ceras sintetizadas:
Ceras sintéticas: polímeros etilénicos, por ejemplo, polietileno y éter-ésteres de polioles; ceras de poliolefinas; ceras de amidas de ácidos grasos; naftalenos clorados; de tipo hidrocarbonado, por ejemplo, Fischer-Tropsch.
¿Qué es una emulsión de cera?
Una emulsión de cera / dispersión de cera es una mezcla estable de una o varias ceras en agua. Como las ceras y los líquidos acuosos normalmente son inmiscibles, se necesitan tensioactivos y un proceso de mezclado sofisticado, por ejemplo, ultrasonidos de potencia, para formar una emulsión de cera estable. En términos correctos, una emulsión de cera debe denominarse dispersión de cera, ya que las ceras son sólidas a temperatura ambiente. Sin embargo, como las emulsiones / dispersiones de cera se preparan con ceras fundidas, los términos «emulsificación» y «emulsión de cera» son los más utilizados para las formulaciones acuosas de cera, mientras que el término «dispersión de cera» suele describir una formulación de cera a base de disolventes.
¿Qué es una emulsión?
Una emulsión es una dispersión de líquido en líquido formada por dos o más líquidos inmiscibles.
Una emulsión puede presentarse en varios tipos: w/o, o/w, w/o/w, o/w/o
El tipo de emulsión (w/o u o/w) puede determinarse mediante una prueba de dilución. La emulsión solo puede diluirse con la fase continua / externa. Otro método para identificar el tipo de emulsión es la prueba de conductividad. Las emulsiones iónicas o/w no conducen la corriente eléctrica, mientras que las emulsiones o/w sí la conducen.
Para realizar la prueba con papel de filtro de CoCl2 , se impregna un papel de filtro con CoCl2 y se seca (color azul). El color del papel de filtro de CoCl2 cambia a rosa cuando se añade una emulsión o/w.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde escala de laboratorio hasta escala industrial.