Dispersões de nanopartículas em cera – Crie formulações estáveis!

A dispersão de nanopartículas em matrizes de cera é uma aplicação importante, mas desafiante, em revestimentos, cosméticos, produtos farmacêuticos e materiais de mudança de fase. Dada a viscosidade intrínseca das ceras fundidas, a sua hidrofobicidade e a tendência das nanopartículas para se aglomerarem devido às elevadas energias superficiais, a preparação de dispersões de nanopartículas em cera exige conhecimentos especializados. Os sonicadores Hielscher proporcionam a potência de dispersão, o controlo preciso e a escalabilidade necessários para a produção de dispersões estáveis de nanopartículas em cera em equipamentos de bancada e na produção industrial.

Desafios na dispersão de nanopartículas em cera

As nanopartículas – sejam metálicas, cerâmicas ou à base de carbono – formam facilmente agregados devido a fortes interações de van der Waals. Na cera, estas interações são intensificadas pela ausência de solventes polares ou estabilizantes. A agitação mecânica ou os homogeneizadores de rotor-estator revelam-se frequentemente insuficientes, sobretudo quando as nanopartículas têm diâmetros inferiores a 100 nm ou quando são necessárias concentrações elevadas. Uma dispersão homogénea exige um aporte de energia capaz de desagregar aglomerados à escala nanométrica e, simultaneamente, molhar a superfície das partículas com o meio de cera.

Mecanismo da nanodispersão ultrassónica

A eficácia significativa da dispersão ultrassónica reside no mecanismo de funcionamento único da cavitação acústica. Os sonicadores de tipo sonda geram forças de cavitação intensas quando ondas ultrassónicas de alta intensidade e baixa frequência se propagam num líquido, por exemplo, cera fundida. O colapso das bolhas durante a cavitação produz pontos quentes localizados com gradientes extremos de cisalhamento, ondas de choque e microjatos. Estas forças transitórias superam a adesão entre partículas e desaglomeram eficazmente os conjuntos de nanopartículas.
Além disso, a aplicação de ultrassons melhora a molhagem das superfícies das nanopartículas pela cera fundida. O colapso repetido das bolhas de cavitação reduz a tensão interfacial, permitindo que as moléculas de cera penetrem entre as partículas e as estabilizem estericamente.

Aplicações de nanodispersões de cera preparadas por ultrassons

A capacidade de dispersar homogeneamente nanopartículas em cera abre caminho a múltiplas aplicações:

Revestimentos e produtos de polimento: A adição de nanopartículas de sílica ou alumina melhora a dureza, a resistência a riscos e o brilho.
Formulações cosméticas: As nanopartículas de dióxido de titânio ou de óxido de zinco conferem proteção UV, mantendo a transparência.
Materiais de mudança de fase (PCMs): O grafeno, os nanotubos de carbono ou os óxidos metálicos aumentam a condutividade térmica, melhorando a eficiência do armazenamento de calor em sistemas energéticos.
Administração de fármacos: As nanopartículas lipofílicas incorporadas em cera atuam como reservatórios de libertação lenta em formulações tópicas ou orais.

Os nanofluidos sintetizados por ultrassons são líquidos eficientes para arrefecimento e permuta térmica. Os nanomateriais termocondutores aumentam significativamente a capacidade de transferência e dissipação de calor. A sonicação é uma técnica consolidada na síntese e funcionalização de nanopartículas termocondutoras, bem como na produção de nanofluidos estáveis e de elevado desempenho para aplicações de arrefecimento.

Dispersores ultrassónicos para formulações de cera e nanopartículas

A dispersão ultrassónica com sonicadores Hielscher de tipo sonda de elevado desempenho é uma técnica robusta e escalável para a produção de nanodispersões estáveis de cera.
Os sistemas ultrassónicos Hielscher de tipo sonda são amplamente utilizados no processamento de nanopartículas devido à sua elevada capacidade de processamento, ao controlo preciso dos parâmetros e à escalabilidade linear. Quer necessite de preparar dispersões de nanopartículas em cera por lotes ou em produção contínua em linha, a Hielscher Ultrasonics oferece a configuração de sonicação ideal: os homogeneizadores ultrassónicos de laboratório são a ferramenta perfeita para investigação e desenvolvimento de produtos, enquanto as células de fluxo ultrassónicas industriais permitem a produção de nanodispersões estáveis de cera que cumprem os mais elevados padrões de qualidade.
Fabricados segundo os mais elevados padrões de qualidade, os sonicadores Hielscher combinam robustez, facilidade de utilização e integração simples em processos industriais. Concebidos para suportar ambientes exigentes, dispõem de tecnologia de ponta, possuem certificação ISO e cumprem os requisitos CE, UL, CSA e RoHS.

Porquê Hielscher Ultrasonics?

elevada eficiência
tecnologia de ponta
fiabilidade e robustez
controlo do processo ajustável e preciso
por lotes e em linha
para qualquer volume
software inteligente
funcionalidades inteligentes (por exemplo, programação, registo de dados, controlo remoto)
operação fácil e segura
manutenção reduzida
CIP (limpeza no local)

A tabela abaixo dá uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores:

Volume do lote	Caudal	Dispositivos recomendados
0,5 a 1,5mL	não aplicável	VialTweeter
1 a 500mL	10 a 200mL/min	UP100H
10 a 2000mL	20 a 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 a 20L	0,2 a 4L/min	UIP2000hdT
10 a 100L	2 a 10L/min	UIP4000hdT
15 a 150L	3 a 15L/min	UIP6000hdT
não aplicável	10 a 100L/min	UIP16000hdT
não aplicável	superior	conjunto de UIP16000hdT

Temas relacionados

Bibliografia / Referências

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.

Perguntas frequentes

O que é a cera?

A cera é uma classe de materiais orgânicos hidrofóbicos compostos principalmente por hidrocarbonetos de cadeia longa, ésteres, ácidos gordos e álcoois. Estes materiais são sólidos à temperatura ambiente, têm pontos de fusão relativamente baixos e apresentam um comportamento de amolecimento quando aquecidos.

Quais são os diferentes tipos de ceras?

Os diferentes tipos de ceras incluem ceras naturais, como a cera de abelha, a cera de carnaúba e a cera de candelilha, ceras minerais derivadas do petróleo ou da lenhite, como a parafina, a cera microcristalina e a cera de montana, e ceras sintéticas, como as ceras de polietileno, de Fischer–Tropsch e de amida.

Para que são utilizadas as ceras?

As ceras são amplamente utilizadas em diversos setores industriais. Proporcionam proteção superficial em revestimentos e produtos de polimento, atuam como agentes estruturantes e aglutinantes em cosméticos e produtos farmacêuticos, servem como agentes desmoldantes e revestimentos protetores na indústria alimentar e funcionam como lubrificantes, adesivos e materiais de mudança de fase para armazenamento de energia em aplicações técnicas.

Qual é a polaridade das diferentes ceras?

A polaridade das ceras varia com a sua composição química. As ceras de parafina e de polietileno são maioritariamente apolares, a cera de abelha e a cera de carnaúba apresentam uma polaridade fraca devido aos ésteres e aos ácidos gordos livres, e a cera de montana ou certas ceras sintéticas apresentam uma polaridade moderada devido aos grupos funcionais carboxílicos e amida. 