1. Introducció
El terme “emulsió de cera” pot ser una mica confús, ja que en realitat es tracta d’una dispersió de partícules sòlides de cera en una fase contínua d’aigua. L’emulsió pròpiament dita (definida com la barreja de dos líquids immiscibles) només existeix quan la cera es troba en estat fos, en el moment en què es forma l’emulsió a alta temperatura. Com s’ha esmentat anteriorment, una emulsió de cera ha de ser estabilitzada, ja sigui mitjançant emulsificants no iònics (mecanisme estèric), emulsificants iònics (mecanisme electrostàtic) o una combinació d’ambdós tipus, per obtenir els beneficis dels dos mecanismes de estabilització. A més, es poden afegir altres ingredients, com ara electròlits, espessidors o conservants, per ajudar a mantenir la dispersió estable.
Les emulsions de cera són àmpliament utilitzades com a additius en diverses aplicacions industrials. Serveixen per controlar la processabilitat dels productes o per millorar les propietats dels recobriments que es fan servir per protegir superfícies de la fricció o de l’exposició a la humitat. Les propietats fonamentals de les ceres es basen en la seva composició química, el punt de fusió i la seva polaritat.
Quan es desenvolupa una emulsió per a un ús específic, la mida de les partícules de cera és un factor crucial. Per modificar les propietats tàctils, és essencial que les partícules de cera sobresurtin de la capa de recobriment, cosa que requereix una mida de partícula superior al gruix de la pel·lícula. No obstant això, les partícules grans poden provocar defectes en la pel·lícula o fallades en el producte. En canvi, una mida de partícula molt petita assegura una incorporació homogènia en la formulació, maximitzant els efectes desitjats i evitant defectes en el recobriment. A més, es mantenen els acabats de gran brillantor.
Concentrol ofereix solucions específiques per a problemes concrets, gràcies al nostre coneixement expert en la producció d’emulsions de cera. Durant el procés d’emulsificació, es pot controlar el rang de mida de les partícules per complir amb especificacions precises. El cas que es presenta a continuació és un bon exemple de com es pot ajustar la mida de les partícules en una emulsió de cera a base de polietilè.
2. Procediment d’emulsificació
Per demostrar el concepte, hem utilitzat la formulació EMULTROL EPH, una emulsió de cera de polietilè no iònica/aniónica a base d’aigua. A causa del seu alt punt de fusió, la cera només es pot emulsionar sota pressió en un sistema tancat. A més, es va utilitzar la tècnica d’emulsificació indirecta, ja que permet obtenir emulsions d’alta qualitat amb la màxima consistència. Aquesta tècnica d’emulsificació per dilució implica crear inicialment una emulsió de cera i tensioactiu amb un alt contingut sòlid, retenint una part de l’aigua. Això permet una millor i més uniforme formació de micel·les. No obstant això, el procés requereix dos recipients a pressió per fabricar l’emulsió.
El procediment seguit va ser el següent: es va introduir cera de polietilè en un reactor autoclau juntament amb l’emulsificant no iònic, un àlcali, disulfit de sodi i part de l’aigua a temperatura ambient. Després es va tancar l’autoclau i es va escalfar a 125-135 °C mentre es remenava, mantenint aquesta temperatura durant 30 minuts. Tot seguit, es va injectar la segona part de l’aigua, prèviament escalfada a 100 °C, sota pressió. Finalment, es va refredar ràpidament fins a temperatura ambient mitjançant refredament de xoc per assegurar els millors resultats. S’hauria d’afegir un conservant per millorar la vida útil de l’emulsió.
3. Resultat
El tipus i la concentració del tensioactiu són factors crítics que influeixen en la mida i estabilitat de les gotes de cera en la fase aquosa contínua. A la Figura 1 es poden veure les diferents emulsions d’EMULTROL EPH obtingudes variant la quantitat d’emulsificant. Es va utilitzar el mateix tensioactiu en totes les mostres, però la concentració es va reduir progressivament de la mostra A a la C.
Figura 1 – EMULTROL EPH amb diferents mides de partícula
Com s’ha mencionat anteriorment, les emulsions consten d’una fase dispersa i una fase contínua, amb una interfase que separa les dues fases. Normalment, les emulsions apareixen tèrboles o blanques, ja que la llum es dispersa a través de les interfases dels components de la barreja. No obstant això, les microemulsions i nanoemulsions, amb una mida de gota inferior a 100 nm, són translúcides. Això es deu al fet que les ones de llum només es dispersen si les gotes superen aproximadament una quarta part de la longitud d’ona de la llum incident. Com que l’espectre visible de la llum es troba entre els 390 i 750 nm, si la mida de les gotes de l’emulsió és inferior a 100 nm, la llum pot travessar-la sense ser dispersada. Aquesta singularitat és clarament visible en l’emulsió A de la Figura 1, i es confirma amb les mesures de la mida de les partícules mostrades a la Figura 2.
Figura 2 – Mesures del diàmetre de partícules de les emulsions A, B i C
A més, quan l’emulsió es dilueix, la llum blava de longitud d’ona curta es dispersa més, fent que l’emulsió aparegui amb un to més blau. Aquest fenomen és conegut com l’”Efecte Tyndall”. En canvi, si l’emulsió és prou concentrada, la llum es distorsiona cap a longituds d’ona més llargues, fent que aparegui amb un to més groguenc. Aquesta peculiaritat es pot observar a la Figura 3, on les emulsions A i B es van diluir al 10% de la seva concentració original en aigua desionitzada (A’ i B’, respectivament).
Figura 3 – Aparença de les emulsions originals A i B i les seves dilucions al 10% A’ i B’
4.Beneficis de controlar la mida de les partícules
Les emulsions són inherentment inestables i necessiten energia per formar-se. Amb el temps, tendeixen a separar-se en fases estables. Per això, els emulsificants s’utilitzen per reduir la tensió superficial interfacial i estabilitzar l’emulsió. Les microemulsions són estables termodinàmicament, mentre que les nanoemulsions translúcides són estables cinèticament.
En els sistemes de vernís i pintura, les partícules de cera formen una xarxa que redueix la sedimentació dels agents matitzants (anti-brillantor), millorant així el seu efecte mat. La mida de les partícules de cera també afecta el grau de brillantor del recobriment.
No obstant això, una mida de partícula excessivament fina pot reduir l’eficàcia de la cera com a additiu en el recobriment. Perquè la cera funcioni correctament, les partícules han de sobresortir de la superfície del recobriment. Les partícules petites tenen menys probabilitats de fer-ho, especialment en recobriments pigmentats. En aplicacions on la permeabilitat o la transparència són crucials (com ara en acabats de fibres o aplicacions de poliment), pot ser recomanable una emulsió amb partícules molt petites.
5. Conclusions
L’elecció de l’emulsificant és essencial en la formulació d’emulsions, ja que exerceix un paper clau tant en la formació com en l’estabilització de l’emulsió. La selecció de l’emulsificant depèn de les característiques del producte final, la metodologia de preparació de l’emulsió, les propietats químiques i físiques de cada fase, i la presència d’altres components funcionals a la mescla.
Un cop escollit l’emulsificant, la seva concentració influeix significativament en totes les propietats de l’emulsió, com ara l’estabilitat, la distribució de la mida de les gotes, la tensió superficial i interfacial, la capacitat de mullat, la viscositat, entre d’altres. En aquest article hem demostrat que la concentració de l’emulsificant està estretament relacionada amb la mida de les partícules de l’emulsió. La seva eficàcia augmenta quan es fa servir una major quantitat de tensioactiu, donant lloc a partícules més petites. Amb aquest objectiu, hem utilitzat l’emulsió EMULTROL EPH, i variant la quantitat d’emulsificant, hem obtingut diferents mides de partícules. Com a resultat, les emulsions presenten una aparença clarament diferenciada.
Trust, Solution and Experience make us stronger to be a reference in the chemical sector.
