Vahaemulsioonid võimsa ultraheliga
Kui vaha dispergeeritakse nanotilkadena väga homogeense jaotusega, saadakse stabiilne vahaemulsioon. Ultraheli homogenisaatorid tekitavad suuri nihkejõude ning on töökindlad ja vastupidavad süsteemid stabiilsete vaha nanoemulsioonide valmistamiseks. Hielscher Ultrasonicsi suure nihkejõuga homogenisaatorid annavad kvaliteetseid emulsioone erinevatele tööstusharudele.
Ultraheli vahaemulsioonid
Ultraheliga tekitatud suured nihkejõud annavad vajaliku energia nanomõõtmeliste vahaemulsioonide valmistamiseks, nt stabiilsete parafiinvaha nanoemulsioonide jaoks.
Submikromeetriliste ja nano-emulsioonide ning dispersioonide koostamisel saab kasutada mitme erineva vaha kombinatsiooni, et saada kvaliteetne toode väga heade funktsionaalsete omadustega (nt määrimine, veekindlus, kriimustuskindlus jne).
Ultraheli homogenisaatorite suured nihkejõud võimaldavad valmistada stabiilseid kasutusvalmis vahakoostisi, mille osakesed on tasakaalus. Ultraheliemulgeerimise tulemusena saadakse nanomõõtmelised osakesed ja ühtlane jaotus.
Tööstuslik ultraheli läbivoolusüsteem vahaemulsioonide tootmiseks.
- väga väikesed tilgasuurused, alla 100nm
- stabiilsed emulsioonid
- pikem säilivusaeg (mehaaniline stabiilsus)
- suurem tõhusus
- täpne protsessijuhtimine
Ultraheli parafiinvaha nanoemulsioon
Kuidas valmistada stabiilset parafiinvaha emulsiooni
Nanomõõtmeline vahaemulsioon valmistatakse sulatatud parafiinvahast (õlifaasina), destilleeritud veest ja anioonsest SDS-ist pindaktiivse ainena. Jämeda eelsegu moodustamiseks homogeniseeritakse vaha, vesi ja pindaktiivne aine magnetsegajaga kiirusel 1000 rpm. Selleks segatakse pindaktiivne aine (kontsentratsioon 10 mg/ml emulsiooni kohta) ja vesi keeduklaasis ning kuumutatakse ligikaudu 65–70ºC-ni. Seejärel lisatakse parafiinvaha tilkhaaval, hoides õlifaasi ruumalaosa 0,2 juures magnetsegamise all.
Pärast parafiinvaha täielikku lisamist töödeldakse jämedalt eelsegatud emulsiooni ultraheliga laboriuuringu homogenisaatoriga UIP1000hdT (1000W, 20kHz) ligikaudu 15 min. Ultraheliemulgeerimise protsessi tulemusena saadakse vahaemulsiooni nanoemulsioon, mis on väga stabiilne.
Loe lähemalt parafiinvaha emulsiooni valmistamisest sonikeerimise abil!
Ultraheli nano-emulsioonid, mis on valmistatud seadmega Hielscher UP400St
Pindaktiivsed ained
Vahaemulsioone saab stabiliseerida kas steerilise mehhanismi (mitteioonsete emulgaatoritega) või elektrostaatilise mehhanismi (ioonsete emulgaatoritega, enamasti anioonsetega) abil. Anioonsete ja mitteioonsete emulgaatorite kombineerimine tagab emulsioonile optimaalse stabiilsuse, sest vahaosakesi kaitsevad mõlemad stabiliseerimismehhanismid. Seda nimetatakse elektrosteeriliseks stabiliseerimismehhanismiks.
Vahade emulgeerimiseks saab kasutada erinevaid emulgaatoreid ehk pindaktiivseid aineid, mis võivad olla anioonsed, katioonsed või mitteioonsed. Enim kasutatavad pindaktiivsed ained on rasvalkoholide etoksülaadid kui mitteioonsed pindaktiivsed ained, sest need pakuvad erakordset stabiilsust kareda vee, pH-šokkide ja elektrolüütide suhtes. Muude kindlate materjaliomaduste jaoks kasutatakse mitmesuguseid teisi aineid, nt anioonseid pindaktiivseid aineid parema hüdrofoobsuse saavutamiseks või katioonseid pindaktiivseid aineid parema nakkuvuse saavutamiseks.
Märkus: Mida väiksemad on tilgad, seda rohkem pindaktiivset ainet on vaja tilga pinna katmiseks, sest sfääri V/S suhe on järgmine: S/V = 3/R. Pikkuse või raadiuse mis tahes suurenemisel x*l või x*r suureneb pindala x ruudus (x2) ja ruumala x kuubis (x3).
Koostamine vahaemulsioonide ja -dispersioonidega
Ultraheli homogenisaatoreid ei kasutata mitte ainult vahaemulsioonide / -dispersioonide moodustamiseks – nendega töödeldakse vahaemulsioone ka edasistes etappides, et lisada emulsioon lisandina lõpptootesse (nt katted, lakid, värvid, kosmeetika jne).
Suure koormusega ultraheli homogenisaatorid stabiilsete vahaemulsioonide jaoks
Hielscher Ultrasonics on kogu maailmas tuntud suure võimsusega ultraheli homogenisaatorite tarnija. Meie ultrahelitöötlusseadmeid kasutatakse üle maailma töökindlate ja vastupidavate „töörügajatena“ keemia-, farmaatsia-, kosmeetika- ja toidutööstuses. Hielscheri tööstuslikud ultrahelitöötlusseadmed suudavad pidevalt tagada väga suuri amplituude kuni 200 µm (ning soovi korral ka suuremaid), et tekitada intensiivset kavitatsiooni ja tugevat nihet. Tulemusena saadakse ülipeened nanoemulsioonid ja dispersioonid, millel on väga kitsas osakeste suurusjaotus. Meie suure võimsusega ultrahelisüsteemid aitavad teil saavutada oma vahaformulatsioonide kõrgeima kvaliteedi.
Hielscheri sonikaatorite töökindlus võimaldab 24/7 töörežiimi raskes koormuses ja nõudlikes keskkondades.
Sondtüüpi sonikaator UP400St stabiilsete vahaemulsioonide valmistamiseks.
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 kuni 150L | 3 kuni 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | suurem | klaster seadmetest UIP16000hdT |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Võimas 1,5kW ultraheli homogenisaator UIP15000hdT läbivoolukambriga inline-emulgeerimiseks.
Kirjandus / viited
- 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.
Teadmist väärt fakte
Mis on vaha? Milleks vahasid kasutatakse?
Vahad defineeritakse kui orgaaniliste ühendite mitmekesine klass, mis on hüdrofoobsed, tahked ja vormitavad ümbritseva keskkonna temperatuuri lähedal. Vahad koosnevad mitmesugustest komponentidest, sealhulgas süsivesinikest (normaalsed või hargnenud alkaanid ja alkeenid), ketoonidest, diketoonidest, primaarsetest ja sekundaarsetest alkoholidest, aldehüüdidest, steroolestritest, alkaanhapetest, terpeenidest (skvaleen) ja monoestritest (vahaestrid). Vahade keemiline koostis on keeruline ja varieerub, kuid üldiselt sisaldavad vahad suhteliselt suurt osa alkaane ning süsivesinikel on pikad või väga pikad süsinikuahelad (12 kuni ligikaudu 38 süsinikuaatomit). Need on tahked laias temperatuurivahemikus (sulamispunkt vahemikus 60°C kuni 100°C). Sulanuna muutuvad need madala viskoossusega vedelikuks.
Neid iseloomustab lahustumatus vees, kuid lahustuvus orgaanilistes mittepolaarsetes lahustites. Vahasid saab jaotada looduslikeks (taimset või loomset päritolu), poolsünteetilisteks ja sünteetilisteks vahadeks.
Vahade tööstuslikul tootmisel on peamine allikas toornafta.
Kaks olulisimat naftavahade tüüpi on parafiin- ja mikrokristalliinsed vahad:
Parafiinvahadel on enamasti valge, lõhnatu, maitsetu, vahataoline tahke konsistents, tüüpiline sulamistemperatuur 46°C kuni 68°C (115°F kuni 154°F) ja tihedus ligikaudu 900 kg/m3. Neil on makrokristalliline struktuur ning need on vees lahustumatud, kuid lahustuvad eetris, benseenis ja teatud estrites. Parafiinvahad on saadud toornaftast ja sisaldavad 20 kuni 40 süsinikuaatomit.
Mikrokristalliinset vaha, mida tuntakse ka petrolaatumina, kasutatakse mitmesugustes rakendustes tänu selle lõhnale, värvusele, õlisisaldusele, konsistentsile ja õlisidumisomadusele.
α-olefiinvahad on saadud sünteetiliselt etüleenist kas Fischer-Tropschi sünteesi teel Ziegler-Natta katalüsaatoriga või etüleeni oligomeerimise teel. Alfa-olefiinvahasid kasutatakse kõige sagedamini määrdeõlide lisandites, PVC määrdeainetes, küünaldes, naftapuurimiskemikaalides ja kosmeetikas.
Polüetüleenvaha (PE-WAX) on ülimadala molekulmassiga polüetüleen (ULMWPE), mis koosneb etüleenmonomeeri ahelatest. Polüpropeenvaha (PP-WAX) on sünteetiline, kristalliline madala molekulmassiga vaik.
Nii polüetüleen- kui ka polüpropeenvahad on homopolümeerid ja neid kasutatakse peamiselt plastide värvainete formuleerimiseks.
Kopolümeervahad nagu etüleenvinüülatsetaadi (EVA) ja etüleenakrüülhappe (EAA) derivaadid, on laialt levinud pinnakatete koostistes, nt metallikseid alusvärve.
Vahasid ja vahalisandeid kasutatakse laialdaselt, et anda tootele määrimis-/libisemisomadused, reoloogilised omadused, kulumiskindlus, blokeerumisvastasus/barjääriomadused, läige või matistus, oksüdatsioonikindlus ja/või veetõukavus.
Vahad on laialdaselt kasutatav komponent paljudes tööstusharudes, näiteks keemiatoodete (nt peen- ja erikeemia), pinnakatete, värvide & tintide, lisandite & modifikaatorite, liimide, plastide & PVC, rehvide & kummide, ehituse & ehitusmaterjalide, termostaatiliste juhtimisseadmete, pakendite, toidu ja kosmeetika tootmises.
Looduslikud vahad:
- Loomsed vahad: mesilasvaha, lanoliin, rasv (tallow), šellak, spermatsett
- Taimsed vahad: karnauba, kandelilla, soja, kastoor, riisikliide, bayberry, jojoba jne.
Mineraalsed vahad:
- Fossiilsed vahad: tseresiin, montaanvaha, osokeriit, turbavaha
- Naftavahad: parafiin, mikrokristalsed vahad, nt petrolaatum
Sünteesitud vahad:
Sünteetilised vahad: etüleenpolümeerid, nt polüetüleen & polüoleetri-estrid; polüolefiinvahad; rasvhappeamiidvahad; kloreeritud naftaleenid; süsivesiniktüüpi vahad, nt Fischer-Tropsch.
Mis on vahaemulsioon?
Vahaemulsioon / vahadispersioon on ühe või mitme vaha stabiilne segu veega. Kuna vahad ja vesilahused ei segune tavaliselt omavahel, on stabiilse vahaemulsiooni moodustamiseks vaja pindaktiivseid aineid ja põhjalikku segamisprotsessi, nt võimsat ultraheli. Rangelt võttes tuleks vahaemulsiooni nimetada vahadispersiooniks, sest vahad on toatemperatuuril tahked. Kuna vahaemulsioonid / vahadispersioonid valmistatakse aga sulatatud vahadest, kasutatakse veepõhiste vahakoostiste puhul kõige sagedamini termineid „emulgeerimine“ ja „vahaemulsioon“, samas kui termin „vahadispersioon“ kirjeldab enamasti lahustipõhist vahakoostist.
Mis on emulsioon?
Emulsioon on kahe või enama segunematu vedeliku vedelik-vedelikus dispersioon.
Emulsioon võib esineda erinevat tüüpi: w/o, o/w, w/o/w, o/w/o
Emulsiooni tüüpi (w/o või o/w) saab uurida lahjendustestiga. Emulsiooni saab lahjendada ainult pideva / välise faasiga. Teine meetod emulsiooni tüübi tuvastamiseks on juhtivuse testimine. Ioonsed o/w emulsioonid ei juhi, samas o/w emulsioonid juhivad elektrivoolu.
CoCl2 filtripaberi testi kasutamisel immutatakse filtripaber ühendiga CoCl2 ja kuivatatakse (sinine värv). CoCl2 filtripaberi värv muutub roosaks, kui lisatakse o/w emulsioon.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laborimõõtkavast kuni tööstusliku mõõtkavani.