Nanohiukkasdispersiot vahassa – valmista stabiileja formulaatioita!

Nanohiukkasten dispergointi vahamatriiseihin on tärkeä mutta haastava sovellus pinnoitteissa, kosmetiikassa, lääkevalmisteissa ja faasimuutosmateriaaleissa. Sulien vahojen ominaisen viskositeetin, niiden hydrofobisuuden ja nanohiukkasten suuren pintaenergian aiheuttaman agglomeroitumistaipumuksen vuoksi nanohiukkas-vahadispersion valmistus vaatii osaamista. Hielscher-ultraäänilaitteet tarjoavat dispergointitehon, tarkan säädettävyyden ja skaalautuvuuden stabiilien nanohiukkas-vahadispersioiden valmistukseen pöytälaitteilla ja teollisessa tuotannossa.

Nanohiukkasten vahaan dispergoinnin haasteet

Nanohiukkaset – olivatpa ne metallisia, keraamisia tai hiilipohjaisia – muodostavat helposti aggregaatteja voimakkaiden van der Waalsin vuorovaikutusten vuoksi. Vahassa polaaristen liuottimien tai stabilointiaineiden puuttuminen voimistaa näitä vuorovaikutuksia. Mekaaninen sekoitus tai roottori-staattorihomogenisaattorit osoittautuvat usein riittämättömiksi, erityisesti silloin, kun nanohiukkasten halkaisija on alle 100 nm tai tarvitaan suuria hiukkaspitoisuuksia. Homogeeninen dispersio edellyttää energiansyöttöä, joka pystyy hajottamaan agglomeraatit nanomittakaavassa ja samalla kostuttamaan hiukkasten pinnan vahaväliaineella.

Ultraäänellä tapahtuvan nanodispergoinnin mekanismi

Ultraäänidispergoinnin huomattava tehokkuus perustuu akustisen kavitaation ainutlaatuiseen toimintamekanismiin. Anturityyppiset ultraäänilaitteet tuottavat voimakkaita kavitaatiovoimia, kun voimakkaat, matalataajuiset ultraääniaallot etenevät nesteessä, esimerkiksi sulassa vahassa. Kuplien luhistuminen kavitaation aikana synnyttää paikallisia kuumia pisteitä, joissa esiintyy äärimmäisiä leikkausgradientteja, iskuaaltoja ja mikrosuihkuja. Nämä hetkelliset voimat ylittävät hiukkasten välisen adheesion ja hajottavat tehokkaasti nanohiukkasten agglomeraatteja.
Lisäksi ultraäänikäsittely tehostaa nanohiukkasten pintojen kostumista vahasulalla. Kavitaatiokuplien toistuva luhistuminen vähentää rajapintajännitystä, jolloin vahamolekyylit pääsevät tunkeutumaan hiukkasten väliin ja stabiloimaan niitä steerisesti.

Ultraäänellä valmistettujen vahan nanodispersioiden sovellukset

Mahdollisuus dispergoida nanohiukkasia homogeenisesti vahaan avaa monia sovellusmahdollisuuksia:

Pinnoitteet ja kiillotusaineet: Piidioksidi- tai alumiinioksidinanohiukkasten lisääminen parantaa kovuutta, naarmuuntumiskestävyyttä ja kiiltoa.
Kosmeettiset formulaatiot: Titaanidioksidi- tai sinkkioksidinanohiukkaset antavat UV-suojan säilyttäen samalla läpinäkyvyyden.
Faasimuutosmateriaalit (PCM): Grafeeni, hiilinanoputket tai metallioksidit lisäävät lämmönjohtavuutta ja parantavat lämmön varastoinnin tehokkuutta energiajärjestelmissä.
Lääkeaineiden annostelu: Vahaan sisällytetyt lipofiiliset nanohiukkaset toimivat hitaasti vapauttavina varastoina paikallisesti käytettävissä tai suun kautta otettavissa formulaatioissa.

Ultraäänellä syntetisoidut nanonesteet ovat tehokkaita jäähdytys- ja lämmönsiirtonesteitä. Lämpöä johtavat nanomateriaalit parantavat merkittävästi lämmönsiirto- ja lämmönpoistokykyä. Ultraäänikäsittely on vakiintunut menetelmä lämpöä johtavien nanohiukkasten synteesissä ja funktionalisoinnissa sekä stabiilien, suorituskykyisten nanonesteiden valmistuksessa jäähdytyssovelluksiin.

Ultraäänidispergointilaitteet vaha-nanohiukkasformulaatioille

Ultraäänidispergointi tehokkailla anturityyppisillä ultraäänilaitteilla (Hielscher) on toimintavarma ja skaalautuva tekniikka stabiilien vahan nanodispersioiden valmistukseen.
Anturityyppisiä ultraäänijärjestelmiä (Hielscher) käytetään laajalti nanohiukkasten käsittelyyn niiden suuren käsittelykapasiteetin, tarkan parametrien säädön ja lineaarisen skaalautuvuuden ansiosta. Tarvitsetpa vahan nanohiukkasdispersioiden valmistusta erissä tai jatkuvassa inline-tuotannossa, Hielscher Ultrasonics tarjoaa ihanteellisen ultraäänikäsittelylaitteiston: laboratorion ultraäänihomogenisaattorit ovat täydellinen työkalu tutkimukseen ja tuotekehitykseen, kun taas teolliset ultraäänivirtauskennot mahdollistavat korkeimmat laatuvaatimukset täyttävien stabiilien vahan nanodispersioiden tuotannon.
Korkeimpien laatustandardien mukaisesti valmistetuissa ultraäänilaitteissa (Hielscher) yhdistyvät kestävyys, käyttäjäystävällisyys ja helppo integrointi teollisiin prosesseihin. Ne on suunniteltu kestämään vaativia ympäristöjä, niissä käytetään uusinta tekniikkaa, ne ovat sertifioituja (ISO) ja ne täyttävät seuraavat vaatimukset: CE, UL, CSA ja RoHS.

Miksi Hielscher Ultrasonics?

korkea hyötysuhde
uusin tekniikka
luotettavuus ja kestävyys
säädettävä, tarkka prosessinohjaus
eräkäsittely ja inline-käsittely
kaikille tilavuuksille
älykäs ohjelmisto
älykkäät ominaisuudet (esim. ohjelmoitavuus, tietojen tallennus, etäohjaus)
helppo ja turvallinen käyttää
vähäinen huoltotarve
CIP (puhdistus paikallaan)

Alla oleva taulukko antaa suuntaa antavan käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Erätilavuus	Tilavuusvirta	Suositellut laitteet
0,5–1,5 mL	n.a.	VialTweeter
1–500 mL	10–200 mL/min	UP100H
10–2 000 mL	20–400 mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1–20 L	0,2–4 L/min	UIP2000hdT
10–100 L	2–10 L/min	UIP4000hdT
15–150 L	3–15 L/min	UIP6000hdT
n.a.	10–100 L/min	UIP16000hdT
n.a.	suurempi	laiteryhmä: UIP16000hdT

Liittyvät aiheet

Kirjallisuus / lähteet

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.

Usein kysytyt kysymykset

Mitä vaha on?

Vahat ovat orgaanisten, hydrofobisten materiaalien ryhmä, joka koostuu pääasiassa pitkäketjuisista hiilivedyistä, estereistä, rasvahapoista ja alkoholeista. Ne ovat kiinteitä huoneenlämpötilassa, niiden sulamispisteet ovat suhteellisen alhaisia ja ne pehmenevät kuumennettaessa.

Millaisia vahoja on olemassa?

Erilaisia vahoja ovat luonnonvahat, kuten mehiläisvaha, karnaubavaha ja kandelillavaha, maaöljystä tai ruskohiilestä saatavat mineraalivahat, kuten parafiinivaha, mikrokiteinen vaha ja montaanivaha, sekä synteettiset vahat, kuten polyeteeni-, Fischer–Tropsch- ja amidivahat.

Mihin vahoja käytetään?

Vahoja käytetään laajalti eri teollisuudenaloilla. Ne suojaavat pintoja pinnoitteissa ja kiillotusaineissa, toimivat rakennetta muodostavina aineina ja sideaineina kosmetiikassa ja lääkevalmisteissa, toimivat irrotusaineina ja suojapinnoitteina elintarviketeollisuudessa sekä voiteluaineina, liimoina ja energian varastointiin käytettävinä faasimuutosmateriaaleina teknisissä sovelluksissa.

Millainen on eri vahojen polaarisuus?

Vahojen polaarisuus vaihtelee niiden kemiallisen koostumuksen mukaan. Parafiini- ja polyeteenivahat ovat suurelta osin poolittomia, mehiläisvaha ja karnaubavaha ovat heikosti polaarisia esterien ja vapaiden rasvahappojen vuoksi, ja montaanivaha tai tietyt synteettiset vahat ovat kohtalaisen polaarisia karboksyyli- ja amidifunktionaalisuuksien vuoksi. 