Vahaemulsiot tehokkaalla ultraäänellä
Kun vaha dispergoidaan nanopisaroiksi, joiden jakauma on hyvin tasainen, saadaan stabiili vahaemulsio. Ultraäänihomogenisaattorit tuottavat suuria leikkausvoimia ja ovat luotettavia ja kestäviä järjestelmiä stabiilien vahananoemulsioiden valmistukseen. Hielscher Ultrasonics -homogenisaattorit tuottavat suuria leikkausvoimia ja laadultaan erinomaisia emulsioita eri teollisuudenaloille.
Ultraäänellä valmistetut vahaemulsiot
Ultraäänellä tuotetut suuret leikkausvoimat tuottavat tarvittavan energian nanokokoisten vahaemulsioiden, esimerkiksi stabiilien parafiinivahananoemulsioiden, valmistamiseen.
Alle mikrometrin kokoisia emulsioita ja dispersioita sekä nanoemulsioita ja -dispersioita voidaan formuloida yhdistämällä erilaisia vahoja, jotta saadaan laadultaan erinomainen tuote, jolla on erittäin hyvät toiminnalliset ominaisuudet (esimerkiksi voitelukyky, vedenkestävyys, naarmuuntumiskestävyys jne.).
Ultraäänihomogenisaattorien suuret leikkausvoimat mahdollistavat stabiilien, käyttövalmiiden vahaformulaatioiden valmistamisen siten, että hiukkaset ovat tasapainotilassa. Ultraääniemulgointi tuottaa nanokokoisia hiukkasia ja tasaisen jakauman.
Teollinen läpivirtausjärjestelmä vahaemulsioiden valmistamiseen ultraäänellä.
- erittäin pienet, alle 100 nm:n pisarakoot
- stabiilit emulsiot
- pidempi säilyvyysaika (mekaaninen stabiilius)
- parempi teho
- tarkka prosessinohjaus
Ultraäänellä valmistettu parafiinivahananoemulsio
Stabiilin parafiinivahaemulsion valmistaminen
Nanokokoinen vahaemulsio formuloidaan sulasta parafiinivahasta (öljyfaasina), tislatusta vedestä ja pinta-aktiivisena aineena käytettävästä anionisesta SDS:stä. Karkean esiseoksen muodostamiseksi vaha, vesi ja pinta-aktiivinen aine homogenisoidaan magneettisekoittimella nopeudella 1000 rpm. Tätä varten pinta-aktiivinen aine (pitoisuus 10 mg/ml emulsiota) ja vesi sekoitetaan dekantterilasissa ja lämmitetään noin 65–70 ºC:seen. Tämän jälkeen parafiinivaha lisätään tipoittain magneettisekoituksen aikana siten, että öljyfaasin tilavuusosuus pysyy arvossa 0,2.
Kun kaikki parafiinivaha on lisätty, karkeasti esisekoitetulle emulsiolle tehdään ultraäänikäsittely pöytämallisella ultraäänihomogenisaattorilla UIP1000hdT (1000 W, 20 kHz) noin 15 min ajan. Ultraääniemulgointiprosessi tuottaa erittäin stabiilin vahananoemulsion.
Lue lisää parafiinivahaemulsion valmistamisesta ultraäänikäsittelyllä!
Hielscher UP400St -laitteella ultraäänellä valmistetut nanoemulsiot
Pinta-aktiiviset aineet
Vahaemulsiot voidaan stabiloida joko steerisen mekanismin avulla (käyttämällä ionittomia emulgaattoreita) tai sähköstaattisen mekanismin avulla (käyttämällä ionisia, useimmiten anionisia emulgaattoreita). Anionisten ja ionittomien emulgaattorien yhdistäminen antaa emulsiolle optimaalisen stabiiliuden, koska molemmat stabilointimekanismit suojaavat vahahiukkasia. Tätä kutsutaan sähkösteeriseksi stabilointimekanismiksi.
Vahojen emulgointiin voidaan käyttää erilaisia emulgaattoreita tai pinta-aktiivisia aineita, jotka voivat olla anionisia, kationisia tai ionittomia. Yleisimmin käytettyjä pinta-aktiivisia aineita ovat ionittomina pinta-aktiivisina aineina käytettävät rasva-alkoholietoksylaatit, sillä ne tarjoavat poikkeuksellisen hyvän stabiiliuden kovaa vettä, äkillisiä pH-muutoksia ja elektrolyyttejä vastaan. Muiden erityisten materiaaliominaisuuksien saavuttamiseksi käytetään erilaisia muita aineita, esimerkiksi anionisia pinta-aktiivisia aineita paremman hydrofobisuuden saavuttamiseksi tai kationisia pinta-aktiivisia aineita paremman tarttuvuuden saavuttamiseksi.
Huomautus: Mitä pienempiä pisarat ovat, sitä enemmän pinta-aktiivista ainetta tarvitaan pisaroiden pinnan peittämiseen, sillä pallojen V/S-suhde on seuraava: S/V = 3/R. Kun pituus tai säde kasvaa kertoimella x, eli arvoon x*l tai x*r, pinta-ala kasvaa kertoimella x toiseen potenssiin (x2) ja tilavuus kasvaa kertoimella x kolmanteen potenssiin (x3).
Formulointi vahaemulsioilla ja -dispersioilla
Ultraäänihomogenisaattoreita käytetään vahaemulsioiden / -dispersioiden muodostamisen lisäksi myös vahaemulsioiden käsittelyyn myöhemmissä vaiheissa, jotta emulsio voidaan sisällyttää lisäaineena lopputuotteeseen (esimerkiksi pinnoitteisiin, lakkoihin, maaleihin, kosmetiikkaan jne.).
Ultraäänihomogenisaattorit raskaaseen käyttöön stabiilien vahaemulsioiden valmistamiseksi
Hielscher Ultrasonics on maailmanlaajuisesti tunnettu suuritehoisten ultraäänihomogenisaattorien toimittaja. Ultraäänilaitteemme tunnetaan kaikkialla maailmassa luotettavina ja kestävinä ”työjuhtina” kemian-, lääke-, kosmetiikka- ja elintarviketeollisuudessa. Hielscherin teollisuustason ultraäänilaitteet pystyvät tuottamaan jatkuvasti erittäin suuria, jopa 200 µm:n amplitudeja (ja pyynnöstä suurempiakin) voimakkaan kavitaation ja suurten leikkausvoimien aikaansaamiseksi. Tuloksena syntyy erittäin hienojakoisia nanoemulsioita ja -dispersioita, joiden hiukkaskokojakaumat ovat hyvin kapeita. Suuritehoiset ultraäänijärjestelmämme auttavat saavuttamaan vahaformulaatioillesi erinomaisen laadun.
Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa 24/7-käytön raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä.
Anturityyppinen ultraäänilaite UP400St stabiilien vahaemulsioiden valmistamiseen.
| Erätilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1–500 mL | 10–200 mL/min | UP100H |
| 10–2000 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 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Tehokas 1,5 kW:n ultraäänihomogenisaattori UIP15000hdT virtauskennolla jatkuvatoimiseen emulgointiin.
Kirjallisuus / Lähteet
- 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.
Hyödyllistä tietoa
Mitä vaha on? Mihin vahoja käytetään?
Vahat määritellään monimuotoiseksi orgaanisten yhdisteiden ryhmäksi, jonka yhdisteet ovat hydrofobisia, muovattavia kiinteitä aineita lähellä ympäristön lämpötilaa. Vahat koostuvat erilaisista komponenteista, kuten hiilivedyistä (suoraketjuisista tai haarautuneista alkaaneista ja alkeeneista), ketoneista, diketoneista, primaarisista ja sekundaarisista alkoholeista, aldehydeistä, steroliestereistä, alkaanihapoista, terpeeneistä (skvaleeni) ja monoestereistä (vahaesterit). Vahojen kemiallinen koostumus on monimutkainen ja vaihteleva, mutta yleensä vahat sisältävät suhteellisen suuren osuuden alkaaneja ja hiilivedyillä on pitkät tai erittäin pitkät hiiliketjut (12:sta jopa noin 38 hiiliatomiin). Ne ovat kiinteitä laajalla lämpötila-alueella (sulamispiste 60 °C:n ja 100 °C:n välillä). Sulaessaan ne muuttuvat nesteeksi, jonka viskositeetti on pieni.
Niille on ominaista liukenemattomuus veteen mutta liukoisuus orgaanisiin, poolittomiin liuottimiin. Vahat voidaan jaotella luonnonvahoihin (kasvi- ja eläinperäisiin), puolisynteettisiin ja synteettisiin vahoihin.
Vahojen kaupallisessa tuotannossa tärkein raaka-aine on raakaöljy.
Kaksi tärkeintä maaöljyvahatyyppiä ovat parafiinivahat ja mikrokiteiset vahat:
Parafiinivahat ovat enimmäkseen valkoisia, hajuttomia, mauttomia, vahamaisia kiinteitä aineita, joiden tyypillinen sulamispiste on 46 °C:n ja 68 °C:n välillä (115 °F:n ja 154 °F:n välillä) ja tiheys noin 900 kg/m3. Niillä on makrokiteinen rakenne, ja ne ovat veteen liukenemattomia mutta liukenevat eetteriin, bentseeniin ja tiettyihin estereihin. Parafiinivahat saadaan raakaöljystä, ja ne sisältävät 20–40 hiiliatomia.
Mikrokiteistä vahaa, joka tunnetaan myös vaseliinina, käytetään moniin tarkoituksiin sen hajun, värin, öljypitoisuuden, koostumuksen ja öljynsitomiskyvyn vuoksi.
α-olefiinivahat valmistetaan synteettisesti etyleenistä joko Fischer-Tropsch-synteesillä Ziegler-Natta-katalyytin avulla tai etyleenin oligomeroinnilla. Alfaolefiinivahoja käytetään yleisimmin voiteluöljyjen lisäaineissa, PVC:n voiteluaineissa, kynttilöissä, öljynporauskemikaaleissa ja kosmetiikassa.
Polyeteenivaha (PE-WAX) on erittäin pienen molekyylipainon polyeteeniä (ULMWPE), joka koostuu etyleenimonomeeriketjuista. Polypropeenivaha (PP-WAX) on synteettinen, kiteinen hartsi, jonka molekyylipaino on pieni.
Sekä polyeteeni- että polypropeenivahat ovat homopolymeerejä, ja niitä käytetään pääasiassa muovien väriaineiden formulointiin.
Kopolymeerivahat kuten etyleenivinyyliasetaatin (EVA) ja etyleeniakryylihapon (EAA) johdannaiset ovat laajasti käytössä pinnoiteformulaatioissa, esimerkiksi metallinhohtoisissa pohjamaaleissa.
Vahoja ja vahalisäaineita käytetään laajasti antamaan tuotteelle voitelevuutta/liukkautta, reologisia ominaisuuksia, hankauskestävyyttä, tarttumisenesto-/sulkuominaisuuksia, kiiltoa tai mattapintaa, hapettumiskestävyyttä ja/tai vettähylkivyyttä.
Vahat ovat laajasti käytetty komponentti monilla teollisuudenaloilla, kuten kemikaalien (esimerkiksi hieno- ja erikoiskemikaalien), pinnoitteiden, maalien ja painovärien, lisäaineiden ja muokkausaineiden, liimojen, muovien ja PVC:n, renkaiden ja kumien tuotannossa, rakentamisessa ja rakennusteollisuudessa sekä termostaattisten säätölaitteiden, pakkausten, elintarvikkeiden ja kosmetiikan tuotannossa.
Luonnonvahat:
- Eläinperäiset vahat: mehiläisvaha, lanoliini, tali, sellakka, spermasetti
- Kasviperäiset vahat: karnauba-, kandelilla-, soija-, risiini-, riisilese-, vahamyrtti- ja jojobavaha jne.
Mineraalivahat:
- Fossiiliset vahat: seresiini, montaanivaha, otsokeriitti, turvevaha
- Maaöljyvahat: parafiini, mikrokiteiset vahat, esimerkiksi vaseliini
Synteettisesti valmistetut vahat:
Synteettiset vahat: etyleenipolymeerit, esimerkiksi polyeteeni ja polyolien eetteriesterit; polyolefiinivahat; rasvahappoamidivahat; klooratut naftaleenit; hiilivetytyyppiset vahat, esimerkiksi Fischer-Tropsch-vahat.
Mikä on vahaemulsio?
Vahaemulsio / vahadispersio on yhden tai useamman vahan stabiili seos vedessä. Koska vahat ja vesipohjaiset nesteet eivät tavallisesti sekoitu keskenään, stabiilin vahaemulsion muodostamiseen tarvitaan pinta-aktiivisia aineita ja kehittynyt sekoitusprosessi, esimerkiksi tehokas ultraäänikäsittely. Täsmällisesti ilmaistuna vahaemulsiota on kutsuttava vahadispersioksi, sillä vahat ovat kiinteitä huoneenlämmössä. Koska vahaemulsiot / -dispersiot kuitenkin valmistetaan sulista vahoista, termejä ”emulgointi” ja ”vahaemulsio” käytetään yleisimmin vesipohjaisista vahaformulaatioista, kun taas termi ”vahadispersio” kuvaa useimmiten liuotinpohjaista vahaformulaatiota.
Mikä on emulsio
Emulsio on kahden tai useamman toisiinsa sekoittumattoman nesteen dispersio, jossa neste on dispergoituneena nesteeseen.
Emulsiotyyppejä on useita: w/o, o/w, w/o/w, o/w/o
Emulsion tyyppi (w/o tai o/w) voidaan tutkia laimennuskokeella. Emulsiota voidaan laimentaa vain jatkuvalla / ulkoisella faasilla. Toinen tapa tunnistaa emulsiotyyppi on johtokyvyn mittaaminen. Ioniset o/w-emulsiot eivät johda sähkövirtaa, kun taas o/w-emulsiot johtavat sähkövirtaa.
CoCl2 -suodatinpaperitestiä varten suodatinpaperi kyllästetään yhdisteellä CoCl2 ja kuivataan (sininen väri). CoCl2 -suodatinpaperin väri muuttuu vaaleanpunaiseksi, kun siihen lisätään o/w-emulsiota.
Hielscher Ultrasonics valmistaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita laboratoriokoosta aina teolliseen kokoluokkaan asti.