Émulsions de cire par ultrasons de puissance
Lorsque la cire est dispersée sous forme de nanogouttelettes avec une distribution très homogène, on obtient une émulsion de cire stable. Les homogénéisateurs à ultrasons génèrent des forces de cisaillement élevées et constituent des systèmes fiables et robustes pour produire des nanoémulsions de cire stables. Les homogénéisateurs à fort cisaillement de Hielscher Ultrasonics fournissent des émulsions de qualité supérieure pour diverses industries.
Émulsions de cire par ultrasons
Les forces de cisaillement élevées générées par ultrasons fournissent l’énergie nécessaire à la production d’émulsions de cire de taille nanométrique, par exemple des nanoémulsions stables de cire de paraffine.
Des émulsions et dispersions submicroniques et nanométriques peuvent être formulées en combinant différentes cires afin d’obtenir un produit de qualité supérieure doté de fonctionnalités très élevées (par exemple lubrification, résistance à l’eau, résistance aux rayures, etc.).
Les forces de cisaillement élevées des homogénéisateurs à ultrasons permettent de produire des formulations de cire stables, prêtes à l’emploi, avec des particules à l’équilibre. L’émulsification par ultrasons permet d’obtenir des particules de taille nanométrique et une distribution uniforme.
Système industriel à ultrasons à circulation continue pour la production d’émulsions de cire.
- des gouttelettes de très petite taille, inférieure à 100nm
- des émulsions stables
- une durée de conservation prolongée (stabilité mécanique)
- une efficacité accrue
- un contrôle précis du procédé
Nanoémulsion de cire de paraffine par ultrasons
Comment préparer une émulsion stable de cire de paraffine
L’émulsion de cire de taille nanométrique est formulée à partir de cire de paraffine fondue (comme phase huileuse), d’eau distillée et de SDS anionique comme tensioactif. Pour former un prémélange grossier, la cire, l’eau et le tensioactif sont homogénéisés à l’aide d’un agitateur magnétique à 1000 rpm. À cette fin, le tensioactif (à une concentration de 10 mg/ml d’émulsion) et l’eau sont mélangés dans un bécher et chauffés à environ 65–70ºC. La cire de paraffine est ensuite ajoutée goutte à goutte en maintenant une fraction volumique de phase huileuse de 0,2 sous agitation magnétique.
Après l’ajout complet de la cire de paraffine, l’émulsion grossièrement prémélangée est traitée par sonication avec un homogénéisateur à ultrasons de paillasse UIP1000hdT (1000W, 20kHz) pendant environ 15 min. Le procédé d’émulsification par ultrasons produit une nanoémulsion de cire présentant une très grande stabilité.
En savoir plus sur les émulsions de cire de paraffine obtenues par sonication !
Nanoémulsions préparées par ultrasons avec le Hielscher UP400St
Tensioactifs
Les émulsions de cire peuvent être stabilisées soit par un mécanisme stérique (avec des émulsifiants non ioniques), soit par un mécanisme électrostatique (avec des émulsifiants ioniques, le plus souvent anioniques). L’association d’émulsifiants anioniques et non ioniques confère à l’émulsion une stabilité optimale, car les particules de cire sont protégées par les deux mécanismes de stabilisation. On parle alors de mécanisme de stabilisation électrostérique.
Pour l’émulsification des cires, différents émulsifiants ou tensioactifs, anioniques, cationiques ou non ioniques, peuvent être utilisés. Les tensioactifs les plus couramment utilisés sont les alcools gras éthoxylés, en tant que tensioactifs non ioniques, car ils offrent une stabilité exceptionnelle face à l’eau dure, aux variations brusques de pH et aux électrolytes. Pour obtenir d’autres caractéristiques spécifiques du matériau, divers autres tensioactifs sont utilisés, par exemple des tensioactifs anioniques pour une meilleure hydrophobicité ou des tensioactifs cationiques pour une meilleure adhérence.
Remarque : plus les gouttelettes sont petites, plus la quantité de tensioactif nécessaire pour couvrir leur surface est importante, car le rapport V/S des sphères est le suivant : S/V = 3/R. Pour toute augmentation de la longueur ou du rayon, x*l ou x*r, la surface augmente d’un facteur x au carré (x2) et le volume augmente d’un facteur x au cube (x3).
Formulation avec des émulsions et des dispersions de cire
Les homogénéisateurs à ultrasons ne servent pas seulement à former des émulsions / dispersions de cire – ils sont également utilisés pour traiter les émulsions de cire lors d’étapes ultérieures afin d’incorporer l’émulsion comme additif dans le produit final (par exemple revêtements, laques, peintures, cosmétiques, etc.).
Homogénéisateurs à ultrasons pour usage intensif destinés aux émulsions de cire stables
Hielscher Ultrasonics est un fournisseur mondialement reconnu d’homogénéisateurs à ultrasons de haute puissance. Nos appareils à ultrasons sont utilisés dans le monde entier comme des équipements de travail fiables et robustes dans les industries chimique, pharmaceutique, cosmétique et alimentaire. Les appareils à ultrasons industriels Hielscher peuvent fournir en continu des amplitudes très élevées allant jusqu’à 200µm (et davantage sur demande) afin de générer une cavitation intense et un fort cisaillement. Il en résulte des nanoémulsions et des dispersions ultrafines présentant des distributions de taille des particules très étroites. Nos systèmes à ultrasons de haute puissance vous aident à obtenir des formulations de cire de qualité supérieure.
La robustesse des appareils de sonication Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en usage intensif et dans des environnements exigeants.
Appareil de sonication à sonde UP400St pour la préparation d’émulsions de cire stables.
| Volume du lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 à 150L | 3 à 15L/min | UIP6000hdT |
| s.o. | 10 à 100L/min | UIP16000hdT |
| s.o. | supérieur | ensemble de UIP16000hdT |
Contactez-nous ! / Posez-nous vos questions !
Puissant homogénéisateur à ultrasons UIP15000hdT de 1,5kW avec cellule à circulation pour l’émulsification en ligne.
Bibliographie / Références
- 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.
Informations utiles
Qu’est-ce que la cire ? À quoi servent les cires ?
Les cires sont définies comme une classe diversifiée de composés organiques qui sont des solides hydrophobes et malléables à des températures proches de la température ambiante. Les cires sont constituées de divers composants, notamment des hydrocarbures (alcanes et alcènes linéaires ou ramifiés), des cétones, des dicétones, des alcools primaires et secondaires, des aldéhydes, des esters de stérols, des acides alcanoïques, des terpènes (squalène) et des monoesters (esters de cire). La composition chimique des cires est complexe et variable, mais elles contiennent généralement une proportion relativement élevée d’alcanes, et leurs hydrocarbures possèdent des chaînes carbonées longues ou très longues (de 12 à environ 38 atomes de carbone). Elles sont solides sur une large plage de températures (point de fusion entre 60°C et 100°C). Une fois fondues, elles deviennent un liquide de faible viscosité.
Elles se caractérisent par leur insolubilité dans l’eau et leur solubilité dans les solvants organiques apolaires. On distingue les cires naturelles (d’origine végétale ou animale), semi-synthétiques et synthétiques.
Le pétrole brut est la principale source utilisée pour la production commerciale de cires.
Les deux principaux types de cires pétrolières sont les cires de paraffine et les cires microcristallines :
Les cires de paraffine présentent généralement une consistance solide cireuse, blanche, inodore et insipide, avec un point de fusion typique compris entre 46°C et 68°C (115°F et 154°F) et une masse volumique d’environ 900 kg/m3. Elles ont une structure macrocristalline et sont insolubles dans l’eau, mais solubles dans l’éther, le benzène et certains esters. Les cires de paraffine sont issues du pétrole brut et contiennent entre 20 et 40 atomes de carbone.
La cire microcristalline, également appelée petrolatum, est utilisée dans de nombreuses applications en raison de son odeur, de sa couleur, de sa teneur en huile, de sa consistance et de sa capacité à retenir l’huile.
Les cires d’α-oléfines sont obtenues synthétiquement à partir d’éthylène, soit par synthèse Fischer-Tropsch avec un catalyseur Ziegler-Natta, soit par oligomérisation de l’éthylène. Les cires d’alpha-oléfines sont le plus souvent utilisées dans les additifs pour huiles lubrifiantes, les lubrifiants pour PVC, les bougies, les produits chimiques pour le forage pétrolier et les cosmétiques.
La cire de polyéthylène (PE-WAX) est un polyéthylène de masse moléculaire ultra-faible (ULMWPE) constitué de chaînes de monomères d’éthylène. La cire de polypropylène (PP-WAX) est une résine synthétique cristalline de faible masse moléculaire.
Les cires de polyéthylène et de polypropylène sont toutes deux des homopolymères et sont principalement utilisées pour la formulation de colorants pour plastiques.
Les cires de copolymères telles que les dérivés de l’éthylène-acétate de vinyle (EVA) et de l’éthylène-acide acrylique (EAA) sont largement utilisées dans les formulations de revêtements, par exemple les couches de base métallisées.
Les cires et les additifs à base de cire sont largement utilisés pour conférer à un produit des propriétés de lubrification/glissement, de rhéologie, de résistance à l’abrasion, d’antiblocage/barrière, de brillance ou de matité, de résistance à l’oxydation et/ou de déperlance.
Les cires sont un composant largement utilisé dans de nombreuses industries, notamment pour la production de produits chimiques (par exemple chimie fine et de spécialité), de revêtements, de peintures et d’encres, d’additifs et de modificateurs, d’adhésifs, de plastiques et de PVC, de pneus et de caoutchoucs, dans la construction et le bâtiment, les dispositifs de régulation thermostatique, les emballages, l’alimentation et les cosmétiques.
Cires naturelles :
- Cires animales : cire d’abeille, lanoline, suif, gomme-laque, spermaceti
- Cires végétales : carnauba, candelilla, soja, ricin, son de riz, myrique, jojoba, etc.
Cires minérales :
- Cires fossiles : cérésine, cire de montan, ozokérite, cire de tourbe
- Cires pétrolières : paraffine, cires microcristallines, par exemple petrolatum
Cires de synthèse :
Cires synthétiques : polymères éthyléniques, par exemple polyéthylène et éthers-esters de polyols ; cires de polyoléfines ; cires d’amides d’acides gras ; naphtalènes chlorés ; cires de type hydrocarboné, par exemple Fischer-Tropsch.
Qu’est-ce qu’une émulsion de cire ?
Une émulsion de cire / dispersion de cire est un mélange stable d’une ou de plusieurs cires dans l’eau. Comme les cires et les liquides aqueux sont normalement non miscibles, des tensioactifs et un procédé de mélange élaboré, par exemple les ultrasons de puissance, sont nécessaires pour former une émulsion de cire stable. En toute rigueur, une émulsion de cire doit être appelée dispersion de cire, car les cires sont solides à température ambiante. Mais comme les émulsions / dispersions de cire sont préparées avec des cires fondues, les termes « émulsification » et « émulsion de cire » sont les plus couramment utilisés pour les formulations aqueuses de cire, tandis que le terme « dispersion de cire » désigne principalement une formulation de cire à base de solvant.
Qu’est-ce qu’une émulsion ?
Une émulsion est une dispersion liquide dans liquide de deux ou plusieurs liquides non miscibles.
Une émulsion peut se présenter sous différents types : w/o, o/w, w/o/w, o/w/o
Le type d’émulsion (w/o ou o/w) peut être déterminé par un test de dilution. L’émulsion ne peut être diluée qu’avec la phase continue / externe. Une autre méthode pour identifier le type d’émulsion consiste à tester sa conductivité. Les émulsions ioniques o/w ne conduisent pas le courant électrique, tandis que les émulsions o/w le conduisent.
Pour réaliser le test au papier filtre au CoCl2 en pratique, un papier filtre est imprégné de CoCl2 et séché (couleur bleue). La couleur du papier filtre au CoCl2 devient rose lorsqu’une émulsion o/w est ajoutée.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance, de l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle.