Vesi-parafiinvahas emulsioonid: kuluefektiivne küünalde tootmine ultraheli abil

Ultraheliemulgeerimine on võimas töötlustehnoloogia küünlatootjatele, kes soovivad vähendada parafiini tarbimist, parandada retsepti kontrolli ja skaleerida tootmist tõhusalt. Hajutades sulatatud parafiinvahasse kuni 10% vett, saavad küünlatootjad vähendada tooraine kulusid, säilitades samal ajal homogeense vahafaasi, mis sobib tööstuslikuks küünlatootmiseks. Hielscheri sondtüüpi sonikaatorid pakuvad suure intensiivsusega kavitatsiooni, mida on vaja peente ja ühtlaste vesi-vahas emulsioonide loomiseks – laborikatsetest kuni pideva tootmise mastaabini.

Parafiinküünalde tootmise parandamine ultraheliemulgeerimise abil

Parafiinvaha on endiselt üks enim kasutatavaid tooraineid küünlatootmises. Kõikuvad vahahinnad, kasvav surve marginaalidele ning vajadus ressursitõhusama tootmise järele on aga tekitanud suurt huvi tehnoloogiate vastu, mis vähendavad parafiini kasutust, kahjustamata protsessi töökindlust. Ultraheliemulgeerimine võimaldab sulatatud parafiinvahasse vett segada, luues stabiilseid vahaemulsioone.
Kõrgevõimsusliku ultraheli abil saab peenelt hajutatud veetilgad viia vahafaasi, mille tulemusena tekib stabiilne vesi-parafiinis emulsioon. Kui parafiinvahasse emulgeeritakse kuni 10% vett, saavad tootjad vähendada küünla kohta vajalikku parafiinikogust, mis annab otsese materjalisäästu. Suure mahuga tootjate jaoks võib isegi väike protsentuaalne vahatarbimise vähenemine tähendada aastas märkimisväärset kulude kokkuhoidu.

Miks on ultraheliemulgeerimine parafiinvaha jaoks ideaalne

Vesi ja parafiinvaha on looduslikult segunematud. Tavapärased segamismeetodid ei suuda sageli vett sulatatud vahas peenelt ja ühtlaselt hajutada, eriti kui nõutakse ühtlast tilgasuurust, protsessi korratavust ja tööstuslikku läbilaskevõimet. Ultraheliemulgeerimine lahendab selle väljakutse akustilise kavitatsiooni abil.
Ultraheli töötluse (sonikeerimise) ajal tekitab suure intensiivsusega ultraheli vedelas keskkonnas mikroskoopilisi kavitatsioonimulle. Nende kollaps tekitab lokaalseid tugevaid nihkejõude, turbulentsi ja intensiivset segamisenergiat. Hielscher kirjeldab ultraheliemulgaatoreid kui seadmeid, mis kasutavad akustilist kavitatsiooni segunematute vedelike lõhkumiseks väga väikesteks tilkadeks ja nende ühtlaseks jaotamiseks.
Küünlavaha töötlemisel tähendab see, et vett saab sulatatud parafiinis hajutada palju tõhusamalt kui paljude rootor-stator-segistite või väikese nihkega segajatega. Saadud emulsioon võib pakkuda:

• Peen veetilkade jaotus sulatatud vahafaasis
• Parem homogeensus kogu küünlaretseptuuris
• Väiksem parafiini kasutus, kuna osa vahamahust asendatakse veega
• Paremini korratavad partiid tänu juhitavatele ultraheli parameetritele
• Tõhus in-line töötlus pidevateks küünlatootmisliinideks

Parafiini säästmine kuni 10% vee emulgeerimisega

Majanduslik tõukejõud on lihtne: parafiinvaha on kulukas põhimaterjal, vesi aga on odav ja hõlpsasti kättesaadav. Kui vahamaatriksisse viiakse ultraheli abil kuni 10% vett, saavad küünlatootjad vähendada parafiini kulu ühiku kohta.
Näiteks 1 000 kg küünlavahasegu tootmisstsenaariumis võib 10% parafiinifaasi asendamine emulgeeritud veega vähendada parafiini vajadust kuni 100 kg, olenevalt segu koostisest ja lõpptoote spetsifikatsioonidest. Tööstuslikus mastaabis võib see tähendada olulist kokkuhoidu tooraine ostus, ladustamises ja logistikas.
Olulisim pole mitte lihtsalt vee lisamine, vaid selle nõuetekohane emulgeerimine. Halvasti dispergeeritud vesi võib eralduda, põhjustada defekte või häirida töötlemist. Ultraheli emulgeerimine loob peene tilkade struktuuri, mis on vajalik stabiilseks seostumiseks sulatatud vahafaasi. Hielscher toob eraldi esile sondtüüpi sonikaatorid koos ultraheli läbivoolukambritega kui tõhusa lähenemisviisi parafiinvaha emulgeerimiseks, mis parandab tõhusust, ühtlust, skaleeritavust ja püsivat kvaliteeti.

Ultraheli töötlus vähendab parafiinvaha tilkade suuruse 160 nm-ni ja tagab pikaajalise stabiilsuse

Jadhav jt (2015) teaduslik uuring näitab, et ultraheliga toetatud emulgeerimine on tõhus viis stabiilsete vees oleva parafiinvaha nanoemulsioonide valmistamiseks, ületades tavapäraste emulsiooni inversioonimeetodite ebastabiilsuse. Valmistades emulsiooni vee ja parafiini suhtega 80:20, optimeerisid nad peamised protsessimuutujad – pindaktiivse aine kontsentratsiooni, rakendatud ultraheli võimsuse ja ultraheli töötluse (sonikeerimise) aja. Optimeeritud protsessitingimustel saavutasid teadlased umbes 160,9 nm suurused parafiinvaha tilgad, kasutades 10 mg/mL SDS-i, 40% rakendatud võimsust, mis vastab 0,61 W/mL, ja 15 minutit sonikeerimist. Töö näitab, et akustiline kavitatsioon lõhub sulatatud parafiini füüsiliselt nanoskaala tilkadeks, samal ajal kui SDS stabiliseerib kiiresti äsja tekkinud piirpinna; DSC ja FTIR kinnitasid, et parafiinvaha ei muutunud sonikeerimise ajal keemiliselt. Saadud tilgad olid tahked, sfäärilised, SDS-i adsorptsiooni tõttu negatiivselt laetud ja stabiilsed üle kolme kuu, samas kui emulsiooni inversioonipunkti meetodil valmistatud emulsioonid kreemistusid või eraldusid 30 minuti jooksul. Üldiselt seisneb edasiminek selles, et tõestati, et ultraheli töötlus võib anda peeneid, stabiilseid, madala energiakuluga parafiinvaha nanoemulsioone, millel on kontrollitud tilgasuurus, tugev füüsikaline stabiilsus ja selge potentsiaal skaleeritavateks vahapõhisteks segudeks.

Ultraheliga valmistatud parafiinvaha emulsiooni SEM-kujutised suurendusel (a) 5000 , (b) 20 000
Uuring ja pilt: ©Jadhav et al. (2015)

Hielscheri sonikaatorid vees-vahas emulsioonide jaoks

Hielscher Ultrasonics toodab sondtüüpi sonikaatoreid laboratoorseks, pilootmastaabiliseks ja tööstuslikuks vedelike töötluseks. Selle ultraheli süsteeme kasutatakse selliste rakenduste jaoks nagu emulgeerimine, homogeniseerimine, dispergeerimine, osakeste suuruse vähendamine, ekstraheerimine ja keemiline töötlus.
Küünlatootmises on peamine eelis protsessi kontroll. Hielscheri sonikaatorid võimaldavad operaatoritel määrata ja reprodutseerida olulisi sonikeerimise parameetreid, sealhulgas amplituudi, energiasisendit, temperatuuri, rõhku, vooluhulka ja viibeaega. See on eriti oluline sulatatud parafiinvaha puhul, kus viskoossus ja temperatuur mõjutavad tugevalt emulgeerimise kvaliteeti.

Ultraheliga toodetud nanoemulsioon

Tüüpilised rakendusvõimalused hõlmavad järgmist:

1. Perioodiline sonikeerimine koostise väljatöötamiseks, väikesteks tootmispartiideks või erikünldeks
2. Läbivoolukambritega in-line sonikeerimine pidevaks vahatöötluseks
3. Survestatavad reaktorid parema kavitatsiooni intensiivsuse ja kontrollitud töötluse jaoks
4. Konteinerile paigaldatavad süsteemid integreerimiseks olemasolevatesse tööstuslikesse küünlatootmisliinidesse

Hielscheri tööstuslikku tootevalikusse kuuluvad suure võimsusega ultraheliprotsessorid, näiteks UIP4000hdT, mis annab kuni 4 kW ultraheli võimsust nõudlikeks tööstuslikeks vedelike töötlemise ülesanneteks, sealhulgas homogeniseerimiseks, emulgeerimiseks, dispergeerimiseks ja osakeste peenjahvatuseks. Suuremate tootmismahtude jaoks pakub Hielscher selliseid süsteeme nagu UIP16000 – 16 kW tööstuslik ultraheliprotsessor, mis on mõeldud suuremahuliseks inline-töötluseks ja integreerimiseks tootmiskeskkondadesse.
Mitme sonikaatori klasterdamine paralleelselt tagab liiasuse ning võimaldab etapiviisilist mastaabi suurendamist kasvava nõudluse ja ettevõtte laienemise korral.

Tööstuslik tähtsus küünlatootjatele

Küünlatööstuses valitseb tugev kululine surve, eriti teelampide, sammasküünalde, votiivküünalde, konteinerküünalde ja dekoratiivküünalde masstoodangus. Parafiinvaha hinna volatiilsus mõjutab otseselt tasuvust. Ultraheli abil toimuv vesi-vahas emulgeerimine annab tootjatele praktilise võimaluse vähendada vahatarbimist, säilitades samal ajal skaleeritava ja kontrollitava tootmisprotsessi.

Tööstuslik tähtsus on eriti suur seal, kus tootjad vajavad:

• Suuremahulist tootmist ühtlase vahakvaliteediga
• Väiksemat parafiinitarbimist küünla kohta
• Pidevat inline-töötlust partiipõhise segamise asemel
• Usaldusväärset protsessi ülekandmist uuringu- ja arendustegevusest tootmisse
• Täpset kontrolli emulsiooni kvaliteedi üle
• Integreerimist olemasolevatesse sulatus-, doseerimis- ja valuliinidesse

Tehnoloogia on atraktiivne ka tootjatele, kes arendavad uusi kulutõhusaid küünlakoostisi. Veesisaldust, emulgaatorisüsteemi, vaha temperatuuri ja ultraheli energiasisendit kohandades saavad tootjad kujundada koostise vastavalt soovitud küünla geomeetriale, põlemiskäitumisele, pinnaviimistlusele ja tootmismeetodile.
Nagu iga küünlakoostise muudatuse puhul, peaksid tootjad oma tootmistingimustes valideerima põlemisomadused, välimuse, stabiilsuse, ohutuse, lõhnaühilduvuse ja säilitamisel avalduva käitumise. Ultraheli emulgeerimine annab aga töötlusintensiivsuse ja reprodutseeritavuse, mis on vajalik, et selline koostiseareng oleks tööstuslikus mastaabis tehniliselt teostatav.

Ultraheli töötlus kui konkurentsieelis vahaemulsioonide valmistamisel

Küünlatootjatele on ultraheli emulgeerimine enamat kui segamismeetod. See on protsessi intensiivistamise tehnoloogia, mis võib vähendada tooraine kulusid, parandada koostise paindlikkust ja toetada skaleeritavat tootmist.
Hielscheri sonikaatorid on loodud just seda tüüpi nõudlikeks vedelike töötlemise ülesanneteks. Alates laborikatsetest sulaparafiiniga kuni pideva inline-emulgeerimiseni tööstuslikus tootmises pakuvad Hielscheri ultraheli süsteemid võimsust, kontrolli ja skaleeritavust, mida vajatakse vesi-parafiinis küünlavahaemulsioonide jaoks.
Kui parafiinvahasse viiakse ultraheli kavitatsiooni abil kuni 10% vett, saavad küünlatootjad vähendada sõltuvust kallist parafiinist, säilitades samal ajal kontrollitud, homogeense vahakoostise. Tööstuslikus küünlatootmises annab see selge majandusliku ja operatiivse eelise: madalamad materjalikulud, reprodutseeritav kvaliteet ja otsetee laboriskaala koostiselt täismahulisele tootmisele.

Allolev tabel annab ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Ultraheli vahaemulsioonid: lineaarne mastaabi suurendamine laborist tööstusliku tootmiseni

Hielscheri ultraheli tehnoloogia üks suurimaid eeliseid on lineaarne mastaabi suurendamine. Küünlatootjad saavad alustada väikesemahulise teostatavuskatsetusega, optimeerida vee-parafiinis koostist ja seejärel kanda protsessiparameetrid üle suurematele süsteemidele.
Erinevalt paljudest tavapärastest segamistehnoloogiatest, kus mastaabi suurendamine võib nõuda põhjalikke ümberkonstrueerimisi ja ebakindlaid kohandusi, põhineb ultraheli mastaabi suurendamine reprodutseeritavatel protsessiparameetritel. Kui vajalik erienergia sisend, amplituud, temperatuur, rõhk ja viibeaeg (voolukiirus) on teada, saab protsessi skaleerida ultraheli võimsuse ja läbilaskevõime suurendamise teel või mitme ultraheliseadme paralleelse kasutamise teel.
See lähenemine on küünlatootjatele eriti väärtuslik, kuna see vähendab arendusriski. Laboratoorsel või laua-sonikaatoril välja töötatud koostist saab valideerida pilootseadmetel ja seejärel üle kanda täismahulisele tööstuslikule tootmisele. Hielscher märgib, et lauaversiooni homogenisaatoreid saab kasutada rakendusuuringuteks, mastaabi suurendamise töödeks, pilootuuringuteks, protsessi optimeerimiseks ja väiksemate partiide töötlemiseks, samas kui suure võimsusega ultraheli sonotroode vahemikus 4 kuni 16 kW on saadaval suuremahuliseks inline- või partiitöötluseks.
Suurtes tootmisettevõtetes võimaldab mitme ultraheliprotsessori klasterdamine väga suurt läbilaskevõimet, säilitades samal ajal igas reaktoris samad kavitatsioonitingimused. See modulaarne kontseptsioon toetab usaldusväärset tootmisvõimsuse laiendamist, ohverdamata toote ühtlast kvaliteeti.

Disain, tootmine ja nõustamine – Saksamaal valmistatud kvaliteet

Hielscheri ultraheliseadmed on hästi tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrahelisadmete sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrahelisedmed tulevad hõlpsasti toime karmide tingimuste ja nõudlike keskkondadega.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ja pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultrahelisadmetele, mis on varustatud tipptehnoloogia ja kasutajasõbralikkusega. Muidugi vastavad Hielscheri ultrahelisedmed CE nõuetele ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs nõudeid.

Kirjandus / viited

• A.J. Jadhav, C.R. Holkar, S.E. Karekar, D.V. Pinjari, A.B. Pandit (2015): Ultrasound assisted manufacturing of paraffin wax nanoemulsions: Process optimization. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 23, 2015. 201-207.
• Alina Lozhechnikova, Hervé Bellanger, Benjamin Michen, Ingo Burgert, Monika Osterberg (2016): Surfactant-free carnauba wax dispersion and its use for layer-by-layer assembled protective surface coatings on wood. Applied Surface Science 2016.
• 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.