Einflussfaktoren und Vorteile von Ultraschall-Emulgiergeräten zur Herstellung von Emulsionen

Eine Emulsion ist eine Dispersion von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten, von denen eine in Form von feinen Tröpfchen oder Partikeln in der anderen dispergiert ist und eine gemischte Flüssigkeit bildet. Der Prozess der Dispergierung einer nicht mischbaren Flüssigkeit in einer anderen nicht mischbaren Flüssigkeit wird als Emulgierung bezeichnet. Die Bildung von Emulsionen erfordert den notwendigen Prozess der flüssigen Emulgierung, bei dem die dispergierte Phase großer Tröpfchen in der kontinuierlichen Phase durch mechanische Scherung aufgespalten wird.

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Die Ultraschallemulgierung ist ein technisches Mittel der Emulgierung, dh hochfrequente Vibrationen werden durch einen Ultraschallwandler auf den Werkzeugkopf aufgebracht, so dass zwei nicht mischbare Flüssigkeiten zu einer Emulsion gemischt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Emulgierungstechniken, d.h. gewöhnlichem mechanischem Rühren, kann die Beschallung Tröpfchen kleinerer Größe erzeugen, und die Phakoemulsifikation erfordert typischerweise geringere Mengen an Tensid, um eine stabile Emulsion als andere Techniken bereitzustellen.

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Faktoren, die die Ultraschallemulgierung beeinflussen

Verschiedene Faktoren, die die Beschallung beeinflussen und steuern, sind Ultraschallleistung, Zeit, Beschallungsfrequenz und Emulsionstemperatur.

Schallfrequenz

Die Frequenz von 20 bis 40 kHz erzeugt die beste Emulgierung, dh bei niedrigeren Frequenzen wirkt sich die Scherkraft stärker auf die Emulgierung aus. Wenn die Ultraschallfrequenz zunimmt, nimmt die Zeit ab, die die Blasen benötigen, um sich auszudehnen und zu kollabieren, wodurch der Grad der Scherung verringert wird. Bei höheren Frequenzen steigt die Kavitationsschwelle und der Ultraschallprozess ist weniger effizient, da mehr Energie benötigt wird, um die Kavitation einzuleiten. Ultraschall-Emulgiergeräte können von 20 bis 40 kHz Frequenz ausgewählt werden, und je nach Anwendung können Werkzeugköpfe mit unterschiedlicher Frequenz ausgewählt werden.

Ultraschallleistung

Ultraschallleistung ist einer der Hauptfaktoren, die die Emulsionsemulgierungseffizienz steuern. Wenn die Ultraschallleistung zunimmt, nimmt die Tröpfchengröße der dispergierten Phase ab. Wenn die Leistungsaufnahme jedoch größer als 200 W ist, aggregieren sich die kleineren Emulsionströpfchen zu größeren Tröpfchen. Dies liegt an der großen Anzahl von Kavitationsblasen, der extrem hohen Energiedichte, der erhöhten Tröpfchenkonzentration und den hohen Kollisionsraten zwischen Tröpfchen unter diesen Bedingungen. Daher ist es sehr wichtig, die optimale Leistung während der Phakoemulsifikation zu bestimmen. Mit zunehmender Homogenisierungszeit nimmt auch die Erzeugung kleiner Tröpfchen zu. Bei gleicher Energiedichte können die beiden Emulgierungstechniken verglichen werden, um ihre Effizienz bei stabiler Emulsionsbildung zu untersuchen.

Lösungstemperatur

Während der Phakoemulsifikation führt ein moderater Anstieg der Lösungstemperatur zu einer Abnahme der Grenzflächenspannung und Viskosität der Lösung, was das Mischen erleichtert und die Anzahl der Kavitationsblasen erhöht. Diese Trends sind sehr vorteilhaft für den gesamten Emulgierungsprozess. Der Effekt einer kontinuierlich steigenden Temperatur auf die Emulgierung kann jedoch auch schädlich sein: Die Anzahl der Kavitationskeime nimmt mit zunehmender Temperatur zu, und der Luftdruck in den Blasen nimmt ebenfalls zu, was zur Dämpfung der Stoßwelle und zur Bildung einer großen Anzahl von Blasen führt. Dies reduziert den maximalen Druck, der erreicht wird, wenn die Blase implodiert. Aufgrund der erhöhten Verdampfung in den Blasen wird der Kollaps der Blasen weniger heftig, was zu reduzierten Scherkräften und Emulgiereffizienz führt.

Beschallungszeit

Im Allgemeinen führt eine Erhöhung der Phakoemulsifikationszeit zu einer Abnahme der Größe der dispersen Phasentröpfchen. Im Laufe der Zeit nahm auch die Menge an Ultraschallenergie in der Lösung zu, was zu einer Zunahme der Anzahl der gebrochenen Tröpfchen und einer Abnahme der Größe der Emulsionströpfchen führte. Ab einer bestimmten Verarbeitungszeit, dh unter Überschreitung der optimalen Verarbeitungszeit, werden kleinere Tröpfchen jedoch aufgrund der Prävalenz hoher Tröpfchenkonzentrationen und Kollisionen zwischen Tröpfchen zu größeren Tröpfchen koaleszieren.

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Vorteile der Ultraschall-Emulgierung

Im Gegensatz zu herkömmlichen Emulgierungstechniken und -geräten liegen die Vorteile der Phakoemulsifikation auf der Hand.

Emulgierungseffekt verbessern

Abhängig von der Tröpfchengröße der dispergierten Phase können Emulsionen in Mikroemulsionen (10–100 nm), Nanoemulsionen (100–1000 nm) und Makroemulsionen (0,5–100 μm) eingeteilt werden. Ultraschall ist eine effektive Methode, um die Partikelgröße von Dispersionen und Emulsionen zu reduzieren. Ultraschall-Emulgiergeräte können Emulsionen mit kleiner Partikelgröße (nur 0,2-2 μm) und enger Tröpfchengrößenverteilung (0,1–10 μm) erhalten, und die Verwendung von Emulgatoren kann auch die Konzentration der Emulsion um 30% bis 70% erhöhen.

Verbesserte Emulsionsstabilität

Im Wesentlichen sind Emulsionen kinetisch instabil, bilden sich nicht spontan und trennen sich in ihre konstituierenden Phasen, wenn ihre Stabilität nicht kontrolliert wird. Um die neu gebildeten Tröpfchen der dispergierten Phase gegen Koaleszenz zu stabilisieren, werden der Emulsion daher Emulgatoren und Stabilisatoren zugesetzt. Die Phakoemulsifikation erfordert wenig oder keinen Emulgator, um stabile Emulsionen zu erhalten. Nach der Beschallung kann die Emulsion mehrere Monate oder mehr als ein halbes Jahr stabil bleiben.

Kontrollieren Sie die Art der Emulsion

Unter bestimmten Bedingungen können sowohl "Wasser-in-Öl"- als auch "Öl-in-Wasser"-Emulsionen durch Ultraschalltechniken hergestellt werden. Die traditionelle Emulgierungsmethode kann die Eigenschaften der Emulsion nur durch Zugabe eines Emulgators steuern, und die Art der Emulsion kann nicht einfach durch mechanische Methoden geändert werden. Ultraschall-Emulgiergeräte machen den Emulgierprozess bequemer und flexibler.

Geringer Stromverbrauch

Der Stromverbrauch der Ultraschallemulgierung ist geringer, und der Stromverbrauch, der zur Herstellung des gleichen Emulsionsvolumens erforderlich ist, ist geringer als der eines Hochdruckhomogenisators. Zur Herstellung einer Emulsion mit einer Kapazität von 4,55 m3/h und Tröpfchen von 1 μm Größe, wie z.B. unter Verwendung der Ultraschall-Emulgiertechnologie, kann bei einem Arbeitsdruck von 10,514,1 kg/cm2 nur eine Antriebskraft von 57 PS benötigt werden, ein Hochdruckhomogenisator jedoch 70,3351,6 kg. Allerdings wird bei einem Arbeitsdruck von/cm2 eine Antriebskraft von 4050 PS benötigt, so dass der Einsatz der Phakoemulsifikationstechnologie den Energieverbrauch stark reduzieren kann.

Verbesserung der Emulgiereffizienz

Die Ultraschallemulgierung kann Emulsionen erzeugen, die mit herkömmlichen Emulgierungsmethoden nicht hergestellt werden können. Wenn die Energiedichte zunimmt, nimmt die Tröpfchengröße ab. Bei entsprechender Energiedichte kann die Phakoemulsifikationstechnologie durchschnittliche Tröpfchengrößen von weniger als 1 μm erreichen. Ultraschall beschleunigt den gesamten Emulgierungsprozess und erzeugt eine höherreine Emulsion.