Дисперсии наночастиц в воске – создавайте стабильные составы!
Диспергирование наночастиц в восковых матрицах – важная, но сложная задача при производстве покрытий, косметики, фармацевтических препаратов и материалов с фазовым переходом. Учитывая присущую расплавленным воскам вязкость, их гидрофобность и склонность наночастиц к агломерации из-за высокой поверхностной энергии, приготовление дисперсий наночастиц в воске требует специальных знаний и навыков. Ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают мощность диспергирования, точную управляемость и масштабируемость для производства стабильных дисперсий наночастиц в воске на настольном оборудовании и в промышленных масштабах.
Сложности диспергирования наночастиц в воске
Наночастицы – металлические, керамические или на основе углерода – легко образуют агрегаты из-за сильных ван-дер-ваальсовых взаимодействий. В воске эти взаимодействия усиливаются из-за отсутствия полярных растворителей или стабилизаторов. Механическое перемешивание или роторно-статорные гомогенизаторы часто оказываются недостаточно эффективными, особенно когда диаметр наночастиц составляет менее 100 nm или требуется высокая концентрация частиц. Для получения однородной дисперсии необходимо подвести энергию, способную разрушать агломераты на наноуровне, одновременно обеспечивая смачивание поверхности частиц восковой средой.
Ультразвуковые аппараты Hielscher зондового типа производят стабильные наноэмульсии парафина.
Механизм ультразвукового нанодиспергирования
Высокая эффективность ультразвукового диспергирования обусловлена уникальным механизмом действия акустической кавитации. Ультразвуковые аппараты зондового типа создают интенсивные кавитационные силы при распространении высокоинтенсивных низкочастотных ультразвуковых волн в жидкости, например в расплавленном воске. Схлопывание пузырьков при кавитации создаёт локальные зоны с экстремальными градиентами сдвига, ударными волнами и микроструями. Эти кратковременно действующие силы преодолевают межчастичную адгезию и эффективно обеспечивают деагломерацию скоплений наночастиц.
Кроме того, обработка ультразвуком улучшает смачивание поверхностей наночастиц расплавом воска. Многократное схлопывание кавитационных пузырьков снижает межфазное натяжение, позволяя молекулам воска проникать между частицами и обеспечивать их стерическую стабилизацию.
Применение восковых нанодисперсий, полученных с помощью ультразвука
Возможность однородного диспергирования наночастиц в воске открывает широкие возможности применения:
- Покрытия и полирующие средства: Добавление наночастиц диоксида кремния или оксида алюминия повышает твёрдость, устойчивость к царапинам и блеск.
- Косметические составы: Наночастицы диоксида титана или оксида цинка обеспечивают защиту от ультрафиолетового излучения при сохранении прозрачности.
- Материалы с фазовым переходом (PCM): Графен, углеродные нанотрубки или оксиды металлов повышают теплопроводность, улучшая эффективность аккумулирования тепла в энергетических системах.
- Доставка лекарственных веществ: Липофильные наночастицы, встроенные в воск, служат резервуарами с медленным высвобождением в препаратах для местного применения или приёма внутрь.
Ультразвуковые диспергаторы для составов на основе воска и наночастиц
Ультразвуковое диспергирование с использованием высокопроизводительных ультразвуковых аппаратов Hielscher зондового типа – надёжный и масштабируемый метод производства стабильных восковых нанодисперсий.
Ультразвуковые системы Hielscher зондового типа широко используются для обработки наночастиц благодаря высокой производительности, точному контролю параметров и линейной масштабируемости. Независимо от того, требуется ли вам приготовление дисперсий наночастиц в воске в периодическом режиме или при непрерывном производстве в потоке, Hielscher Ultrasonics предлагает идеальную установку для обработки ультразвуком: лабораторные ультразвуковые гомогенизаторы – идеальный инструмент для исследований и разработки продукции, а промышленные ультразвуковые проточные ячейки позволяют производить стабильные восковые нанодисперсии, отвечающие высочайшим стандартам качества.
Изготовленные в соответствии с высочайшими стандартами качества, ультразвуковые аппараты Hielscher сочетают прочность, удобство использования и простоту интеграции в промышленные процессы. Разработанные для работы в сложных условиях, они оснащены самыми современными технологиями, имеют сертификацию ISO и соответствуют требованиям CE, UL, CSA и RoHS.
- высокая эффективность
- самые современные технологии
- надёжность и прочность
- регулируемое, точное управление процессом
- периодическая обработка и обработка в потоке
- для любого объёма
- интеллектуальное программное обеспечение
- интеллектуальные функции (например, возможность программирования, протоколирование данных, дистанционное управление)
- простота и безопасность эксплуатации
- минимальное техническое обслуживание
- CIP (очистка без разборки)
В таблице ниже приведена ориентировочная производительность наших ультразвуковых аппаратов:
| Объём партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 0,5 до 1,5mL | неприменимо | VialTweeter |
| от 1 до 500mL | от 10 до 200mL/min | UP100H |
| от 10 до 2000mL | от 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| от 0,1 до 20L | от 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| от 10 до 100L | от 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| от 15 до 150L | от 3 до 15L/min | UIP6000hdT |
| неприменимо | от 10 до 100L/min | UIP16000hdT |
| неприменимо | больше | кластер устройств UIP16000hdT |
Ультразвуковая эмульгирующая система для промышленного производства маргарина
Литература / Источники
- 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.
Часто задаваемые вопросы
Что такое воск?
Воски – класс органических гидрофобных материалов, состоящих преимущественно из длинноцепочечных углеводородов, сложных эфиров, жирных кислот и спиртов. Они находятся в твёрдом состоянии при комнатной температуре, имеют относительно низкие температуры плавления и размягчаются при нагревании.
Какие существуют виды восков?
К различным видам восков относятся природные воски, такие как пчелиный, карнаубский и канделильский; минеральные воски, получаемые из нефти или бурого угля, такие как парафин, микрокристаллический и монтановый воск; а также синтетические воски, такие как полиэтиленовые, воски Фишера–Тропша и амидные воски.
Для чего используются воски?
Воски широко используются в различных отраслях промышленности. Они обеспечивают защиту поверхностей в составе покрытий и полирующих средств, служат структурообразующими и связующими компонентами в косметике и фармацевтических препаратах, используются в качестве разделительных средств и защитных покрытий в пищевой промышленности, а в технических применениях выполняют функции смазочных материалов, клеёв и материалов с фазовым переходом для аккумулирования энергии.
Какова полярность различных восков?
Полярность восков зависит от их химического состава. Парафин и полиэтиленовые воски преимущественно неполярны, пчелиный и карнаубский воски обладают слабой полярностью благодаря сложным эфирам и свободным жирным кислотам, а монтановый и некоторые синтетические воски проявляют умеренную полярность из-за наличия карбоксильных и амидных функциональных групп.
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лабораторных до промышленных размеров.