1. Einführung
Der Begriff „Wachsemulsion“ kann etwas irreführend sein, da es sich in Wirklichkeit um eine Dispersion fester Wachspartikel in einer kontinuierlichen Wasserphase handelt. Eine echte Emulsion (definiert als ein Gemisch aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten) existiert nur, wenn das Wachs in geschmolzener Form vorliegt, und die Emulsion bei hoher Temperatur gebildet wird. Wie bereits erwähnt, muss eine Wachsemulsion stabilisiert werden, entweder durch nichtionische Emulgatoren (sterischer Mechanismus), ionische Emulgatoren (elektrostatischer Mechanismus) oder eine Kombination aus beiden, um von beiden Stabilisationsmechanismen zu profitieren. Andere Zutaten wie Elektrolyte, Verdickungsmittel oder Konservierungsstoffe können ebenfalls hinzugefügt werden, um die Dispersion zu stabilisieren.
Wachsemulsionen werden häufig als Additive in vielen industriellen Anwendungen verwendet. Sie dienen dazu, die Verarbeitbarkeit von Produkten zu steuern oder die Eigenschaften von Beschichtungen zu verbessern, die Oberflächen vor Abrieb oder Feuchtigkeit schützen. Die grundlegenden Eigenschaften von Wachsen hängen von ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrem Schmelzpunkt und ihrer Polarität ab.
Die Partikelgröße der Wachspartikel in Emulsionen ist ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung einer Emulsion für einen bestimmten Zweck. Um die taktilen Eigenschaften zu verändern, ist es wichtig, dass die Wachspartikel durch die Beschichtungsschicht hindurchtreten, was eine Partikelgröße erfordert, die größer ist als die Dicke des Films. Zu große Partikel können jedoch zu Defekten im Film oder zu Produktversagen führen. Andererseits sorgt eine sehr feine Partikelgröße für eine homogene Einarbeitung in die Formulierung, maximiert die gewünschten Effekte und vermeidet Filmfehler. Zudem bleiben hochglänzende Oberflächen erhalten.
Concentrol bietet spezifische Lösungen für definierte Probleme an, da wir über das Know-how in der Herstellung von Wachsemulsionen verfügen. Der Partikelgrößenbereich kann während des Emulgierungsprozesses kontrolliert werden, um präzise Spezifikationen zu erfüllen. Das unten gezeigte Beispiel ist ein gutes Beispiel für die Feinabstimmung der Partikelgröße in einer Polyethylen-basierten Wachsemulsion.
2. Emulgierungsverfahren
Um das Konzept zu veranschaulichen, haben wir die Formulierung EMULTROL EPH verwendet, eine wasserbasierte, nichtionische/anionische Polyethylen-Wachsemulsion. Aufgrund des hohen Schmelzpunkts des Wachses kann es nur unter Druck in einem geschlossenen System emulgiert werden. Zusätzlich wurde die indirekte Emulgierungstechnik verwendet, da mit dieser Technik qualitativ hochwertige Emulsionen mit der größten Konsistenz hergestellt werden können. Diese Emulgierungstechnik durch Druckverdünnung beinhaltet die anfängliche Herstellung einer hochkonzentrierten Emulsion aus Wachs und Tensid, indem ein Teil des Wassers zurückgehalten wird. Dies ermöglicht eine bessere und gleichmäßigere Mizellenbildung. Für die Herstellung sind jedoch zwei Druckbehälter erforderlich.
Das angewendete Verfahren ist wie folgt: Polyethylenwachs wurde zusammen mit dem nichtionischen Emulgator, Alkali, Natriumdisulfat und einem Teil des Wassers bei Raumtemperatur in einen Autoklavenreaktor gegeben. Der Autoklav wurde geschlossen und unter Rühren auf 125-135 °C erhitzt, und die Temperatur wurde 30 Minuten lang gehalten. Dann wurde der zweite Teil des Wassers (vorher auf 100 °C erhitzt) unter Druck eingespritzt. An diesem Punkt wurde so schnell wie möglich auf Raumtemperatur abgekühlt (durch Schockkühlung), um die besten Ergebnisse zu erzielen. Ein Konservierungsmittel sollte hinzugefügt werden, um die Haltbarkeit der Emulsion zu verlängern.
3. Ergebnisse
Die Art und Konzentration des Tensids sind entscheidende Aspekte, die für die Größe und Stabilität der Wachstropfen in der kontinuierlichen Phase (Wasser) zu berücksichtigen sind. In Abbildung 1 können wir die verschiedenen Emulsionen von EMULTROL EPH unterscheiden, die durch Variation der Menge an Emulgator erhalten wurden. Dasselbe Tensid wurde in allen verwendet, jedoch wurde seine Konzentration von Probe A zu Probe C schrittweise reduziert.
Abbildung 1 – EMULTROL EPH mit verschiedenen Partikelgrößen
Wie bereits erwähnt, enthalten Emulsionen sowohl eine dispergierte als auch eine kontinuierliche Phase, wobei die Grenzfläche zwischen den Phasen als Schnittstelle bezeichnet wird. Emulsionen erscheinen normalerweise trüb oder weiß, da das Licht an den Phasenschnittstellen zwischen den Komponenten der Mischung gestreut wird. Mikroemulsionen und Nanoemulsionen mit einer Tröpfchengröße von weniger als 100 nm erscheinen jedoch transparent. Dies liegt daran, dass Lichtwellen nur dann von den Tröpfchen gestreut werden, wenn ihre Größe etwa ein Viertel der Wellenlänge des einfallenden Lichts überschreitet. Da das sichtbare Lichtspektrum Wellenlängen zwischen 390 und 750 nm umfasst, kann das Licht durch die Emulsion dringen, wenn die Tröpfchengröße weniger als 100 nm beträgt, ohne gestreut zu werden. Diese Besonderheit ist in Emulsion A aus Abbildung 1 gut zu erkennen und wird auch durch die in Abbildung 2 gezeigte Messung der Partikelgröße bestätigt.
Abbildung 2 – Partikelgrößenmessungen der Emulsionen A, B und C
Wenn die Emulsion verdünnt wird, wird kurzwelligeres blaues Licht stärker gestreut, und die Emulsion erscheint blauer. Dieses Phänomen ist als „Tyndall-Effekt“ bekannt. Umgekehrt wird bei ausreichender Konzentration der Emulsion die Farbe zu längeren Wellenlängen verzerrt und erscheint gelber. Diese Besonderheit lässt sich in Abbildung 3 beobachten, in der die Emulsionen A und B auf 10 % ihrer ursprünglichen Konzentration in deionisiertem Wasser verdünnt wurden (A’ und B’).
Abbildung 3 – Aussehen der ursprünglichen Emulsionen A und B und ihrer Verdünnungen auf 10 %, A’ und B’
4. Vorteile der Kontrolle der Partikelgröße
Emulsionen sind von Natur aus instabil und erfordern Energiezufuhr, um sich zu bilden. Mit der Zeit neigen sie dazu, in ihren stabilen Zustand zurückzukehren, was zur Phasentrennung führt. Daher werden Emulgatoren verwendet, um die Grenzflächenspannung zu verringern und die Emulsion zu stabilisieren. Mikroemulsionen sind thermodynamisch stabil, während durchsichtige Nanoemulsionen kinetisch stabil sind.
In Lack- und Farbsystemen bilden Wachspartikel ein Netzwerk, das die Sedimentation von Mattierungsmitteln (Anti-Glanz) verringert und somit deren Mattierungseffekt verbessert. Die Partikelgröße der Wachsdiffusion beeinflusst auch den Glanz der Beschichtung.
Eine zu feine Partikelgröße kann jedoch zu einer geringeren Effizienz als Beschichtungsadditiv führen. Damit Wachs wirken kann, müssen die Partikel durch die Beschichtungsoberfläche hindurchtreten. Kleinere Partikel neigen weniger dazu, dies zu tun, insbesondere in pigmentierten Beschichtungen. In Anwendungen, bei denen eine gute Durchlässigkeit oder Transparenz eine Rolle spielt (z. B. bei Faseroberflächen und Polieranwendungen), kann eine Emulsion mit sehr kleinen Partikeln wünschenswert sein.
5. Fazit
Die Wahl des Emulgators ist entscheidend für die Formulierung von Emulsionen, da er eine Schlüsselrolle sowohl bei der Bildung als auch bei der Stabilisierung der Emulsion spielt. Die Auswahl des Emulgators richtet sich nach den Eigenschaften des Endprodukts, der Methode zur Herstellung der Emulsion, den chemischen und physikalischen Eigenschaften jeder Phase sowie dem Vorhandensein anderer funktioneller Komponenten in der Emulsion.
Sobald der Emulgator ausgewählt wurde, hat seine Konzentration einen großen Einfluss auf alle Emulsionseigenschaften, wie z. B. die Stabilität, die Verteilung der Tröpfchengrößen, die Oberflächen- und Grenzflächenspannung, die Benetzungsfähigkeit, die Viskosität usw. In diesem Artikel haben wir gezeigt, dass die Emulgatorkonzentration eng mit der Partikelgröße der Emulsion zusammenhängt. Ihre Effizienz steigt, wenn eine größere Menge an Tensid verwendet wird, was zu kleineren Partikelgrößen führt. Zu diesem Zweck haben wir die Emulsion EMULTROL EPH verwendet, und durch Variation der Emulgatormenge wurden unterschiedliche Partikelgrößen erreicht. Folglich zeigen die Emulsionen ein deutlich unterscheidbares Erscheinungsbild.
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