Vesi-parafiin-vahaemulsioonid: kulutõhus küünalde tootmine ultraheli abil

Ultrahelil põhinev emulgeerimine on tõhus töötlemistehnoloogia küünlatootjatele, kes soovivad vähendada parafiini tarbimist, parandada koostise kontrolli ja tõhustada tootmise mastaapsust. Dispersioonides kuni 10% vett sulatatud parafiinivahasse, saavad küünlatootjad vähendada toorainekulusid, säilitades samal ajal tööstuslikuks küünlatootmiseks sobiva homogeense vahafaasi. Hielscheri sondtüüpi sonikaatorid tagavad kõrge intensiivsusega kavitatsiooni, mis on vajalik peenete ja ühtlaste vesi-vahas emulsioonide loomiseks. – laborikatsetest kuni pideva tootmise tasemeni.

Parafiiniküünalde tootmise parandamine ultrahelilise emulgeerimise abil

Parafiin on endiselt üks kõige laialdasemalt kasutatavaid tooraineid küünalde tootmises. Siiski on vaha hinna kõikumine, kasvav surve kasumimarginaalidele ja vajadus ressursisäästlikuma tootmise järele tekitanud suurt huvi tehnoloogiate vastu, mis vähendavad parafiini kasutamist ilma protsessi usaldusväärsust ohustamata. Ultrahelilise emulgeerimise abil on võimalik segada vett sulatatud parafiinivahasse, luues stabiilseid vahasegusid.
Suure võimsusega ultraheli abil on võimalik lisada vahafaasi peenelt hajutatud veetilgad, mille tulemusena tekib stabiilne „vesi-parafiinis” emulsioon. Kui parafiinivahasse emulgeeritakse kuni 10% vett, saavad tootjad vähendada ühe küünla kohta vajalikku parafiini kogust, mis toob kaasa otsese materjalikulu kokkuhoiu. Suurtes tootmismahtudes tegutsevate tootjate jaoks võib isegi väike protsentuaalne parafiini tarbimise vähenemine tähendada märkimisväärset aastast kulude kokkuhoidu.

Miks ultrahelil põhinev emulgeerimine on ideaalne parafiinivaha jaoks

Vesi ja parafiin on loomulikult segunematud. Tavaliste segamismeetoditega on sageli raske vett sulavasse vahasse peenelt ja ühtlaselt hajutada, eriti kui on vaja tagada ühtlane tilkade suurus, protsessi korratavus ja tööstuslik tootlikkus. Ultrahelil põhinev emulgeerimine lahendab selle probleemi akustilise kavitatsiooni abil.
Ultrahelitöötluse käigus tekitab suure intensiivsusega ultraheli vedelikus mikroskoopilisi kavitatsioonimulle. Nende kokkuvarisemisel tekivad lokaalsed suured nihkejõud, turbulents ja intensiivne segamisenergia. Hielscher kirjeldab ultrahelilisi emulgaatoreid kui seadmeid, mis kasutavad akustilist kavitatsiooni, et segunematud vedelikud purustada väga väikesteks tilkadeks ja neid ühtlaselt jaotada.
Küünlavaha töötlemisel tähendab see, et vett on võimalik sulatatud parafiini hulka segada palju tõhusamalt kui paljude rootor-staator-segistite või madala lõikamisjõuga segistite puhul. Saadud emulsioon võib pakkuda järgmisi eeliseid:

• Peenete veetilgade jaotus sulavaha faasis
• Küünla koostise ühtluse parandamine
• Parafiini kasutamist vähendati, asendades osa vahakogusest veega
• Reguleeritavate ultrahelikiirguse parameetrite tõttu on partiid paremini korratavad
• Tõhus integreeritud töötlemine pidevalt töötavate küünalde tootmisliinide jaoks

Parafiini kokkuhoid, emulgeerides kuni 10% vett

Majanduslik põhjus on selge: parafiin on kulukas lähteaine, samas kui vesi on odav ja kergesti kättesaadav. Lisades ultraheli abil vahamatriitsi kuni 10% vett, saavad küünlatootjad vähendada parafiini tarbimist ühe tooteühiku kohta.
Näiteks tootmistsenaariumis, kus kasutatakse 1 000 kg küünlavaha koostist, võib 10% parafiinifaasi asendamine emulgeeritud veega vähendada parafiinivajadust kuni 100 kg võrra, sõltuvalt koostise ülesehitusest ja lõpptoote spetsifikatsioonidest. Tööstuslikul tasandil võib see tähendada märkimisväärset kokkuhoidu tooraine ostmisel, ladustamisel ja logistikas.
Oluline ei ole mitte lihtsalt vee lisamine, vaid selle nõuetekohane emulgeerimine. Halvasti dispergeeritud vesi võib eralduda, põhjustada defekte või takistada töötlemist. Ultrahelil põhinev emulgeerimine loob peene tilkade struktuuri, mis on vajalik stabiilseks segunemiseks sulavaha faasiga. Hielscher toob eriti esile sond-tüüpi ultraheliseadmed, mis on kombineeritud ultraheliliste voolukambritega, kui tõhusa lähenemisviisi parafiinivaha emulgeerimiseks, parandades tõhusust, ühtlust, skaleeritavust ja püsivat kvaliteeti.

Ultrahelitöötlus vähendab parafiinivahapiiskade suurust 160 nm-ni, tagades pikaajalise stabiilsuse

Jadhav jt (2015) teaduslik uuring näitab, et ultraheliga toetatud emulgeerimine on tõhus meetod stabiilsete parafiin-vees-tüüpi nanoemulsioonide tootmiseks, mis võimaldab ületada tavapärastele emulsiooni inversioonimeetoditele iseloomuliku ebastabiilsuse. Valmistades emulsiooni, mille vee ja parafiini suhe oli 80:20, optimeerisid nad protsessi peamised muutujad – pindaktiivse aine kontsentratsioon, rakendatud ultrahelivõimsus ja ultrahelitöötlemise aeg. Optimeeritud protsessitingimustes saavutasid teadlased umbes 160,9 nm suurused parafiinivahapiisad, kasutades 10 mg/mL SDS-i, 40% rakendatud võimsust, mis vastab 0,61 W/mL-le, ning 15-minutilist ultrahelitöötlemist. Uuring näitab, et akustiline kavitatsioon lagundab sulaparafiini füüsiliselt nanomõõtmelisteks tilkadeks, samal ajal kui SDS stabiliseerib kiiresti äsja tekkinud piiri; DSC ja FTIR kinnitasid, et parafiinivaha ei muutunud sonikatsiooni käigus keemiliselt. Saadud tilgad olid tahked, sfäärilised, SDS-i adsorptsiooni tõttu negatiivselt laetud ja stabiilsed rohkem kui kolm kuud, samal ajal kui emulsioonide inversioonipunkti meetodil valmistatud emulsioonid muutusid kreemjaks või eraldusid 30 minuti jooksul. Kokkuvõttes seisneb edasiminek selles, et on tõestatud, et ultrahelitöötlemise abil on võimalik toota peeneid, stabiilseid ja madala energiasisaldusega parafiinivaha nanoemulsioone, millel on kontrollitav tilkade suurus, tugev füüsikaline stabiilsus ja selge potentsiaal vaha baasil valmistatavate skaalautuvate ravimvormide loomiseks.
 

Ultraheliga ettevalmistatud parafiinvaigu emulsiooni SEM-pildid (a) 5000 , (b) 20 000
Uuring ja pilt: ©Jadhav jt. (2015)

Hielscheri ultraheli-seadmed vesi-vahas-emulsioonide jaoks

Hielscher Ultrasonics toodab sonditüüpi ultraheliseadmeid vedelike töötlemiseks laboris, katseprojektides ja tööstuses. Ettevõtte ultrahelisüsteeme kasutatakse sellistes rakendustes nagu emulgeerimine, homogeniseerimine, dispersioon, osakeste suuruse vähendamine, ekstraheerimine ja keemiline töötlemine.
Küünalde tootmisel on peamiseks eeliseks protsessi juhtimine. Hielscheri ultraheli seadmed võimaldavad operaatoritel määrata ja korrata peamisi ultraheliparameetreid, sealhulgas amplituudi, energiatarbimist, temperatuuri, rõhku, voolukiirust ja viibeaega. See on eriti oluline sulatatud parafiinivaha puhul, kus viskoossus ja temperatuur mõjutavad tugevalt emulgeerimise kvaliteeti.

Ultraheliga toodetud nanoemulsioon

Tüüpilised rakendusvõimalused on järgmised:

1. Partiipõhine ultrahelitöötlus tootevormide väljatöötamiseks, väikeste tootepartiide valmistamiseks või eriküünalde tootmiseks
2. Voolukambritega sisseehitatud ultrahelitöötlus vaha pidevaks töötlemiseks
3. Survestatavad reaktorid kavitatsiooni intensiivsuse suurendamiseks ja töötlemise kontrollimiseks
4. Alusraamile paigaldatavad süsteemid integreerimiseks olemasolevatesse tööstuslikesse küünalatootmisliinidesse

Hielscheri tööstuslik tootevalik hõlmab suure võimsusega ultrahelikäsitlusseadmeid, nagu näiteks UIP4000hdT, mis pakub kuni 4 kW ultrahelikvõimsust nõudlike tööstuslike vedelike töötlemise ülesannete jaoks, sealhulgas homogeniseerimine, emulgeerimine, dispersioon ja osakeste peenjahvatamine. Suuremate tootmisvõimsuste jaoks pakub Hielscher selliseid süsteeme nagu UIP16000 – 16 kW tööstuslikku ultraheliprotsessorit, mis on mõeldud suuremahuliseks jooksvaks töötlemiseks ja integreerimiseks tootmiskeskkondadesse.
Mitme sonikaatori paralleelne ühendamine võimaldab tagada varundatuse ning järkjärgulist tootmise laiendamist vastavalt kasvavale nõudlusele ja ettevõtte laienemisele.

Tööstuslik tähtsus küünalde tootjatele

Küünlatööstus tegutseb tugeva kulusurve all, eriti teeküünalde, sambaküünalde, ohvriküünalde, anumaküünalde ja dekoratiivküünalde masstootmise valdkonnas. Parafiinivaha hinna kõikumine mõjutab otseselt kasumlikkust. Ultrahelil põhinev vesi-vahas emulsioon moodustamine pakub tootjatele praktilist võimalust vähendada vahakulu, säilitades samal ajal skaleeritava ja kontrollitava tootmisprotsessi.

Tööstuslik tähtsus on eriti suur juhtudel, kus tootjad vajavad:

• Suuremahuline tootmine ühtlase vahakvaliteediga
• Väiksem parafiini tarbimine ühe küünla kohta
• Pidev voog-töötlemine, mitte ainult partiipõhine segamine
• Usaldusväärne protsessi ülekandmine R-ist&D tootmisele
• Emulsiooni kvaliteedi täpne kontroll
• Integreerimine olemasolevatesse sulatus-, doseerimis- ja valuliinidesse

See tehnoloogia on atraktiivne ka tootjatele, kes arendavad uusi kuluefektiivseid küünalde koostiseid. Reguleerides veesisaldust, emulgaatorisüsteemi, vaha temperatuuri ja ultrahelienergia sisendit, saavad tootjad kohandada koostist vastavalt soovitud küünla kujule, põlemisomadustele, pinnaviimistlusele ja tootmismeetodile.
Nagu iga küünla koostise muutmise puhul, peaksid tootjad oma tootmistingimustes kontrollima küünla põlemisomadusi, välimust, stabiilsust, ohutust, lõhna ühilduvust ja ladustamisomadusi. Ultrahelil põhinev emulgeerimine tagab aga töötlemise intensiivsuse ja korratavuse, mis on vajalikud, et muuta selline koostise arendamine tööstuslikul tasandil tehniliselt teostatavaks.

Ultrahelitöötlus kui konkurentsieelis vahasegude tootmisel

Küünalde tootjate jaoks on ultrahelil põhinev emulgeerimine midagi enamat kui lihtsalt segamismeetod. Tegemist on protsessi intensiivistamise tehnoloogiaga, mis võimaldab vähendada toorainekulusid, suurendada retseptide paindlikkust ja toetada mastaapset tootmist.
Hielscheri ultraheliseadmed on loodud just selliste nõudlike vedelike töötlemise ülesannete jaoks. Alates laborikatsetest sulaparafiiniga kuni tööstusliku tootmise pideva in-line emulgeerimiseni pakuvad Hielscheri ultrahelisüsteemid vee-parafiini küünlavaha emulsioonide valmistamiseks vajalikku võimsust, kontrolli ja skaleeritavust.
Ultrasonilise kavitatsiooni abil parafiinivahasse kuni 10% vett lisades saavad küünlatootjad vähendada sõltuvust kallistest parafiinidest, säilitades samal ajal kontrollitud ja ühtlase vahaseguse. Tööstuslikus küünalde tootmises annab see selge majandusliku ja operatiivse eelise: madalamad materjalikulud, korratav kvaliteet ning otsetee laboratoorsest koostisest täismahulise tootmiseni.

 
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Ultrahelilised vahasegud: lineaarne mastaapimine laborist tööstuslikku tootmisse

Hielscheri ultrahelitehnoloogia üks peamisi eeliseid on lineaarne mastaapimise võimalus. Küünalde tootjad saavad alustada väikesemahuliste teostatavusuuringutega, optimeerida vee-parafiini koostist ja seejärel kanda protsessiparameetrid üle suurematesse süsteemidesse.
Erinevalt paljudest tavapärastest segamistehnoloogiatest, mille tootmismahu suurendamine võib nõuda ulatuslikke ümberprojekteerimisi ja ebakindlaid kohandusi, põhineb ultrahelipõhine tootmismahu suurendamine korratavatel protsessiparameetritel. Kui vajalik spetsiifiline energiasisend, amplituud, temperatuur, rõhk ja viibeaeg (voolukiirus) on teada, saab protsessi mastaapida, suurendades ultrahelivõimsust ja läbilaskevõimet või kasutades mitut ultraheliseadet paralleelselt.
See lähenemisviis on eriti väärtuslik küünlatootjatele, kuna see vähendab arendusriski. Laboris või laua-ultraheliseadmega välja töötatud koostis on võimalik valideerida pilootseadmetel ja seejärel viia üle täismahulisesse tööstuslikku tootmisse. Hielscher märgib, et laua-ultrahelihomogenisaatoreid saab kasutada rakendusuuringute, tootmise mastaapimise, pilootuuringute, protsessi optimeerimise ja väiksemate partiide töötlemise jaoks, samas kui suure võimsusega (4–16 kW) ultraheliandureid on saadaval suuremahulise jooksva või partiipõhise töötlemise jaoks.
Suurtes tootmisettevõtetes võimaldab mitme ultraheliprotsessori klastrite moodustamine saavutada väga suurt tootlikkust, säilitades samal ajal igas reaktoris samad kavitatsioonitingimused. See modulaarne kontseptsioon toetab töömahu usaldusväärset suurendamist, ohustamata toote ühtlust.

Disain, tootmine ja nõustamine – Kvaliteet Valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultrasonikaatorid on tuntud oma kõrgeimate kvaliteedi- ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrasonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid saavad kergesti käsitseda karmid tingimused ja nõudlikud keskkonnad.

Hielscher Ultrasonics on ISO sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku suure jõudlusega ultrasonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult on Hielscheri ultrasonikaatorid CE-nõuetele vastavad ja vastavad UL, CSA ja RoHs nõuetele.

Kirjandus / Viited