高出力超音波によるワックスエマルション
ワックスをナノサイズの液滴として非常に均一に分散させると、安定したワックスエマルションが得られます。超音波ホモジナイザーは高いせん断力を発生させ、安定したワックスナノエマルションを製造するための信頼性が高く堅牢なシステムです。Hielscher Ultrasonicsの高せん断ホモジナイザーは、さまざまな産業向けに優れたエマルションを提供します。
超音波によるワックスエマルション
超音波によって発生する高いせん断力は、安定したパラフィンワックスナノエマルションなど、ナノサイズのワックスエマルションの製造に必要なエネルギーを供給します。
さまざまなワックスを組み合わせることで、非常に高い機能性（潤滑性、耐水性、耐傷性など）を備えた優れた製品を得るための、サブマイクロメートルおよびナノサイズのエマルションや分散液を調製できます。
超音波ホモジナイザーの高いせん断力により、粒子が平衡状態にある、そのまま使用できる安定したワックス製剤を製造できます。超音波乳化によって、ナノサイズの粒子と均一な分布が得られます。
ワックスエマルション製造用の産業用超音波フロー通過式システム。
- 100nm未満の非常に小さな液滴サイズ
- 安定したエマルション
- 保存期間の延長（機械的安定性）
- より高い有効性
- 精密なプロセス制御
超音波によるパラフィンワックスナノエマルション
安定したパラフィンワックスエマルションの調製方法
ナノサイズのワックスエマルションは、溶融パラフィンワックス（油相として）、蒸留水、および界面活性剤としての陰イオン性SDSから調製します。粗い予備混合物を作るため、ワックス、水、界面活性剤をマグネチックスターラーで1000 rpmにて均質化します。そのために、界面活性剤（エマルション中の濃度10 mg/ml）と水をビーカーで混合し、約65–70ºCに加熱します。次に、マグネチックスターラーで攪拌しながら、油相の体積分率を0.2に保ってパラフィンワックスを滴下します。
パラフィンワックスをすべて添加した後、粗く予備混合したエマルションに、 卓上型超音波ホモジナイザーUIP1000hdT（1000W, 20kHz）を用いて超音波処理を 約15 min施します。この超音波乳化プロセスによって、非常に高い安定性を備えたワックスナノエマルションが得られます。
超音波処理によるパラフィンワックスエマルションについて詳しく読む！
Hielscher UP400Stで調製した超音波ナノエマルション
界面活性剤
ワックスエマルションは、立体的な機構（非イオン性乳化剤を使用）または静電的な機構（イオン性乳化剤、主に陰イオン性乳化剤を使用）のいずれかによって安定化できます。陰イオン性乳化剤と非イオン性乳化剤を組み合わせると、両方の安定化機構によってワックス粒子が保護されるため、エマルションに最適な安定性がもたらされます。これは静電立体安定化機構と呼ばれます。
ワックスの乳化には、陰イオン性、陽イオン性、非イオン性のさまざまな乳化剤や界面活性剤を使用できます。最も一般的に使用される界面活性剤は、非イオン性界面活性剤である脂肪族アルコールエトキシレートです。これは、硬水、急激なpH変化、電解質に対して並外れた安定性を示すためです。その他の特定の材料特性を得るためには、さまざまな別の界面活性剤が使用されます。例えば、疎水性の向上には陰イオン性界面活性剤、接着性の向上には陽イオン性界面活性剤が使用されます。
注：液滴が小さいほど、その表面を覆うために必要な界面活性剤の量は多くなります。これは、球のV/S比が次のようになるためです：S/V = 3/R。長さまたは半径がx*lまたはx*rに増加する場合、表面積はxの二乗に増加し（x2）、体積はxの三乗に増加します（x3).
ワックスエマルションおよび分散液を用いた配合
超音波ホモジナイザーは、ワックスエマルション／分散液の形成だけでなく、後続の工程でワックスエマルションを処理し、最終製品（コーティング剤、ラッカー、塗料、化粧品など）に添加剤として組み込むためにも使用されます。
安定したワックスエマルションのための高負荷対応超音波ホモジナイザー
Hielscher Ultrasonicsは、高出力超音波ホモジナイザーの供給元として世界的に知られています。当社の超音波処理装置は、化学、製薬、化粧品、食品産業において、信頼性が高く堅牢な「主力装置」として世界中で使用されています。Hielscherの産業用超音波処理装置は、強力なキャビテーションと高いせん断を発生させるために、最大200µm（ご要望に応じてそれ以上）の非常に高い振幅を連続して供給できます。その結果、粒度分布が非常に狭い超微細なナノエマルションおよび分散液が製造されます。当社の高出力超音波システムは、ワックス製剤の優れた品質を実現するのに役立ちます。
Hielscherの超音波処理装置は堅牢であるため、高負荷条件や過酷な環境でも24/7の運転が可能です。
プローブ型超音波処理装置UP400St は、安定したワックスエマルションの調製に使用されます。
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 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 |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | さらに大きい流量 | クラスター構成の UIP16000hdT |
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高出力1.5kW超音波ホモジナイザーUIP15000hdT は、インライン乳化用のフローセルを備えています。
文献／参考資料
- 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.
知っておきたい基礎知識
ワックスとは？ワックスは何に使われるのでしょうか？
ワックスは、周囲温度付近では疎水性で可塑性のある固体となる、多様な有機化合物の一群として定義されます。ワックスは、炭化水素（直鎖または分岐のアルカンおよびアルケン）、ケトン、ジケトン、第一級および第二級アルコール、アルデヒド、ステロールエステル、アルカン酸、テルペン（スクアレン）、モノエステル（ワックスエステル）など、さまざまな成分から構成されます。ワックスの化学組成は複雑で多様ですが、一般にアルカンの割合が比較的高く、炭化水素は長い、または非常に長い炭素鎖（炭素原子数12–約38）を持っています。広い温度範囲で固体であり、融点は60°C–100°Cの間です。溶融すると、低粘度の液体になります。
水に不溶である一方、有機非極性溶媒には溶解することが特徴です。ワックスは、天然（植物由来、動物由来）、半合成、合成ワックスに分類できます。
ワックスの商業生産では、原油が主な原料です。
最も重要な石油ワックスの二種類は、パラフィンワックスとマイクロクリスタリンワックスです：
パラフィンワックス は、主に白色で無臭、無味のワックス状固体で、典型的な融点は46°Cから68°C（115°Fから154°F）の間、密度は約900 kg/m3です。粗大な結晶構造を持ち、水には不溶ですが、エーテル、ベンゼン、および特定のエステルには溶解します。パラフィンワックスは原油に由来し、炭素原子を20–40個含みます。
マイクロクリスタリンワックスは、ペトロラタムとしても知られ、その臭い、色、油分含有量、稠度、油分保持特性により、多様な用途に使用されます。
α-オレフィンワックス は、Ziegler-Natta触媒を用いたFischer-Tropsch合成によってエチレンから合成されるか、エチレンのオリゴマー化によって合成されます。α-オレフィンワックスは、潤滑油添加剤、PVC用潤滑剤、ろうそく、石油掘削用薬剤、化粧品に最も一般的に使用されます。
ポリエチレンワックス （PE-WAX）は、エチレンモノマー鎖から構成される超低分子量ポリエチレン（ULMWPE）です。 ポリプロピレンワックス （PP-WAX）は、合成された結晶性の低分子量樹脂です。
ポリエチレンワックスとポリプロピレンワックスはいずれもホモポリマーで、主にプラスチック用着色剤の配合に使用されます。
共重合体ワックス には、エチレン酢酸ビニル（EVA）やエチレンアクリル酸（EAA）の誘導体などがあり、メタリックベースコートなどのコーティング剤の配合に広く使用されています。
ワックスおよびワックス添加剤は、製品に潤滑性／滑り性、レオロジー特性、耐摩耗性、耐ブロッキング性／バリア性、光沢またはつや消し効果、耐酸化性、および／または撥水性を付与するために広く使用されています。
ワックスは、化学製品（ファインケミカル、特殊化学品など）、コーティング剤、塗料・インク、添加剤・改質剤、接着剤、プラスチック・PVC、タイヤ・ゴム、建設・建築、恒温制御装置、包装材、食品、化粧品の製造など、多くの産業で広く使用される成分です。
天然ワックス：
- 動物性ワックス：蜜ろう、ラノリン、獣脂、シェラック、鯨ろう
- 植物性ワックス：カルナウバ、キャンデリラ、大豆、ヒマシ、米ぬか、ベイベリー、ホホバなど
鉱物性ワックス：
- 化石ワックス：セレシン、モンタン、オゾケライト、泥炭ワックス
- 石油ワックス：パラフィン、マイクロクリスタリンワックス（ペトロラタムなど）
合成ワックス：
合成ワックス：エチレン系ポリマー（ポリエチレン、ポリオールのエーテル・エステルなど）；ポリオレフィンワックス；脂肪酸アミドワックス；塩素化ナフタレン；炭化水素系（Fischer-Tropschなど）。
ワックスエマルションとは？
ワックスエマルション／ワックス分散液は、一種類または複数種類のワックスを水中に混合した安定した混合物です。ワックスと水性液体は通常混和しないため、安定したワックスエマルションを形成するには、界面活性剤と、高出力超音波などの高度な混合プロセスが必要です。ワックスは室温で固体であるため、厳密にはワックスエマルションはワックス分散液と呼ぶべきです。しかし、ワックスエマルション／分散液は溶融ワックスを用いて調製されるため、水性ワックス製剤には「乳化」および「ワックスエマルション」という用語が最も一般的に使用されます。一方、「ワックス分散液」という用語は、主に溶媒ベースのワックス製剤を指します。
エマルションとは
エマルションとは、互いに混和しない二種類以上の液体からなる液中液分散系です。
エマルションには、w/o、o/w、w/o/w、o/w/oなど、さまざまな型があります。
エマルションの型（w/oまたはo/w）は、希釈試験によって調べることができます。エマルションは、連続相／外相でのみ希釈できます。エマルションの型を特定する別の方法は、導電率試験です。イオン性o/wエマルションは電気を通しませんが、o/wエマルションは電流を通します。
CoCl2 ろ紙試験では、ろ紙にCoCl2 を含浸させ、乾燥させます（青色）。o/wエマルションを加えると、CoCl2 ろ紙の色はピンク色に変化します。
Hielscher Ultrasonicsは、高性能超音波ホモジナイザーを 実験室規模 から 産業規模まで製造しています。