Dispersioni di nanoparticelle nella cera – Preparate formulazioni stabili!
La dispersione di nanoparticelle in matrici di cera è un'applicazione importante, ma impegnativa, nei rivestimenti, nei cosmetici, nei prodotti farmaceutici e nei materiali a cambiamento di fase. Data la viscosità intrinseca delle cere fuse, la loro idrofobicità e la tendenza delle nanoparticelle ad agglomerarsi a causa delle elevate energie superficiali, la preparazione della dispersione nanoparticelle-cera richiede un certo know-how. I sonicatori Hielscher forniscono la potenza di dispersione, la controllabilità precisa e la scalabilità per la produzione di dispersioni stabili di nanoparticelle-cera nella produzione da banco e industriale.
Sfide nella dispersione delle nanoparticelle nella cera
nanoparticelle – metallici, ceramici o a base di carbonio – formano facilmente aggregati a causa delle forti interazioni di van der Waals. Nella cera, queste interazioni sono esacerbate dalla mancanza di solventi polari o stabilizzatori. L'agitazione meccanica o gli omogeneizzatori a rotore si rivelano spesso insufficienti, soprattutto quando le nanoparticelle hanno un diametro inferiore a 100 nm o quando sono richiesti carichi elevati. Una dispersione omogenea richiede un apporto di energia in grado di rompere gli agglomerati su scala nanometrica, bagnando contemporaneamente la superficie delle particelle con il mezzo ceroso.
I sonicatori a sonda Hielscher producono nanoemulsioni stabili di paraffina.
Meccanismo di nano-dispersione a ultrasuoni
L'efficacia significativa della dispersione ultrasonica risiede nell'esclusivo meccanismo di funzionamento della cavitazione acustica. I sonicatori a sonda generano intense forze cavitazionali quando le onde ultrasonore ad alta intensità e bassa frequenza si propagano attraverso un liquido, ad esempio la cera fusa. Il collasso delle bolle durante la cavitazione produce punti caldi localizzati con gradienti di taglio estremi, onde d'urto e microgetti. Queste forze transitorie superano l'adesione interparticellare e deagglomerano efficacemente gli ammassi di nanoparticelle.
Inoltre, gli ultrasuoni migliorano la bagnatura delle superfici delle nanoparticelle da parte della cera fusa. Il collasso ripetuto delle bolle di cavitazione riduce la tensione interfacciale, consentendo alle molecole di cera di penetrare tra le particelle e stabilizzarle stericamente.
Applicazioni per le nanodispersioni di cera preparate a ultrasuoni
La capacità di disperdere omogeneamente le nanoparticelle nella cera apre la strada a molteplici applicazioni:
- Rivestimenti e lucidature: L'aggiunta di nanoparticelle di silice o allumina aumenta la durezza, la resistenza ai graffi e la brillantezza.
- Formulazioni cosmetiche: Le nanoparticelle di biossido di titanio o di ossido di zinco conferiscono protezione dai raggi UV, pur mantenendo la trasparenza.
- Materiali a cambiamento di fase (PCM): Il grafene, i nanotubi di carbonio o gli ossidi metallici aumentano la conduttività termica, migliorando l'efficienza di accumulo del calore nei sistemi energetici.
- Consegna di farmaci: Le nanoparticelle lipofile incorporate nella cera agiscono come serbatoi a lento rilascio in formulazioni topiche o orali.
Dispersori a ultrasuoni per formulazioni di cera e nanoparticelle
La dispersione a ultrasuoni con i sonicatori a sonda ad alte prestazioni Hielscher è una tecnica robusta e scalabile per la produzione di nano-dispersioni stabili di cera.
I sistemi a ultrasuoni a sonda Hielscher sono ampiamente utilizzati per la lavorazione delle nanoparticelle grazie alla loro elevata capacità di lavorazione, al controllo preciso dei parametri e alla scalabilità lineare. Sia che si debbano preparare dispersioni di nanoparticelle di cera in batch o in produzione continua in linea, Hielscher Ultrasonics offre la configurazione di sonicazione ideale: gli omogeneizzatori a ultrasuoni da laboratorio sono lo strumento perfetto per la ricerca e lo sviluppo del prodotto, mentre le celle di flusso industriali a ultrasuoni consentono la produzione di nano-dispersioni di cera stabili che soddisfano i più elevati standard di qualità.
Costruiti secondo i più elevati standard di qualità, gli ultrasonori Hielscher combinano robustezza, facilità d'uso e facile integrazione nei processi industriali. Progettati per resistere in ambienti difficili, sono dotati di tecnologia all'avanguardia, certificati ISO e conformi ai requisiti CE, UL, CSA e RoHS.
- Alta efficienza
- Tecnologia all'avanguardia
- affidabilità & robustezza
- controllo di processo regolabile e preciso
- lotto & in linea
- per qualsiasi volume
- software intelligente
- funzioni intelligenti (ad esempio, programmabili, protocollo dati, controllo remoto)
- Facile e sicuro da usare
- Bassa manutenzione
- CIP (clean-in-place)
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 0,5-1,5 mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
| Da 15 a 150L | Da 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000hdT |
Sistema di emulsione a ultrasuoni per la produzione industriale di margarina
Letteratura / Riferimenti
- 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.
Domande frequenti
Che cos'è la cera?
La cera è una classe di materiali organici idrofobici composti principalmente da idrocarburi a catena lunga, esteri, acidi grassi e alcoli. Sono solidi a temperatura ambiente, hanno punti di fusione relativamente bassi e mostrano un comportamento di ammorbidimento al riscaldamento.
Quali sono i diversi tipi di cera?
I diversi tipi di cere comprendono cere naturali come la cera d'api, la carnauba e la candelilla, cere minerali derivate dal petrolio o dalla lignite come la paraffina, la cera microcristallina e la cera di montan, e cere sintetiche come le cere di polietilene, di Fischer-Tropsch e le cere amidiche.
A cosa servono le cere?
Le cere sono ampiamente utilizzate in tutti i settori industriali. Forniscono protezione superficiale nei rivestimenti e nei lucidi, agiscono come agenti strutturanti e leganti nei cosmetici e nei prodotti farmaceutici, servono come agenti distaccanti e rivestimenti protettivi nell'industria alimentare e funzionano come lubrificanti, adesivi e materiali a cambiamento di fase per l'accumulo di energia nelle applicazioni tecniche.
Qual è la polarità delle diverse cere?
La polarità delle cere varia a seconda della loro composizione chimica. La paraffina e le cere di polietilene sono in gran parte non polari, la cera d'api e la cera di carnauba presentano una polarità debole a causa degli esteri e degli acidi grassi liberi, mentre il montan o alcune cere sintetiche presentano una polarità moderata a causa delle funzionalità carbossiliche e ammidiche.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensioni industriali.