JEESPERSE CPW (COLD PROCESS WAXES)

AUTOR: JUAN MATEAU, Jeen International, USA

POLIELEKTROLITY I ICH WPŁYW NA WOSKI

Zmieszanie polielektrolitu i wosku często przysparza różnych problemów. Firma Jeen International proponuje technologię, która zapewnia łatwy w użyciu produkt i  zmienia sposób przygotowywania emulsji.

W rozwiązaniu tym wykorzystuje się poliakrylan sodu  i dowolny wosk. Do niedawna koncepcja procesu pozwalającego włączać woski na zimno, zwanego CPW (ang. Cold Process Wax),  wydawała się twórcom niemożliwa. Obecnie można rozproszyć w zimnej wodzie dowolny wosk, pod warunkiem że jest to wersja  Jeesperse CPW. Tabela 1 przedstawia listę dostępnych wosków Jeesperse CPW. Postać wosków stosowanych  na zimno nadano woskom o temperaturach topnienia tak wysokich jak 107°C.

Objaśnienie procesu

Czy możliwe jest przygotowywanie emulsji w jednym naczyniu, bez podgrzewania, gdy trzeba dodać jeden lub dwa  rodzaje wosku? W przypadku tradycyjnych emulsji niezbędne jest wykorzystanie dwóch naczyń – jednego dla fazy wodnej, drugiego dla fazy olejowej. Następnie oba naczynia należy ogrzać. Do uzyskania emulsji z woskami CPW wystarczy jedno naczynie, którego na dodatek nie trzeba ogrzewać. Pozwala to oszczędzić energię i czas, które są konieczne do ogrzania dwóch naczyń. Ponieważ nie  podniesiono temperatury emulsji, nie wymaga ona schłodzenia. Emulsje/hydrożele, powstałe przy użyciu  wosku CPW, charakteryzują się teksturą i postacią produktu, jakich nie udałoby się uzyskać  tradycyjnymi metodami. Jak to możliwe? Na wstępie należy zdefiniować surowce wykorzystane w tej technologii. Definicja wosku  wynika wyłącznie z pochodzenia materiału, nieważne, czy jest on naturalny, czy syntetyczny. Istotne jest, czy jego temperatura topnienia przekracza 40°C i czy jest on nierozpuszczalny w wodzie. Woski są zwykle niepolarne (niebiegunowe), natomiast woda to substancja bardzo polarna. Jeden z powodów, dlaczego wosk i woda nie mieszają się, stanowi właśnie różnica w polarności. Wprowadzanie wosku na zimno (CPW) indukuje polarność w woskach. W jaki sposób? Dzieje się to dzięki związaniu poliakrylanu sodu z woskiem lub kombinacją wosków. Poliakrylan sodu jest polisolą, a sól posiada pewne charakterystyczne właściwości: dysocjuje w wodzie i wykazuje zdolność indukowania ładunku elektrostatycznego, gdy znajdzie się w wodzie. Poliakrylan sodu posiada dwa rodzaje konfiguracji molekularnej. Gdy nie znajduje się w wodzie, posiada konfigurację molekularną zwaną kłębkiem statystycznym. Po zmieszaniu z wodą dysocjuje na kationy sodu [+] i aniony poliakrylanu [-]. Ładunek elektrostatyczny indukowany w wodzie wpływa na konfigurację tej cząsteczki. Nie ma ona już konfiguracji kłębka statystycznego. Aniony poliakrylanowe zaczynają odpychać się, co prowadzi do wyprostowania tego kłębka statystycznego. W liniowej konfiguracji anion poliakrylanowy zyskuje  cechy polimeru. Jako polimer jest on raczej dużych rozmiarów. Struktura polimeru zawiera wielokrotną strukturę hydrofilową, która przenosi ładunek wzdłuż liniowego szkieletu węglowodorowego. Nadaje to polimerowi jego funkcję. Utrzymuje on wodę w miejscu, tworząc hydrożel. Polimer anionów poliakrylanowych będzie wykazywał powinowactwo do innych cząsteczek, które posiadają taką liniową konfigurację węglowodorową. Dlatego właśnie można dodać tłuszcze do hydrożelu przygotowanego za pomocą poliakrylanu sodu. Wosk posiada liniową konfigurację węglowodorową. Wosk i anion poliakrylanowy stworzą fizyczne wiązanie, nie tylko strukturalne, lecz także funkcjonalne. Od tej pory wosk będzie się zachowywał jak poliakrylan. Polielektrolity i tradycyjne emulgatory, takie jak stearynian sodu lub kwas stearynowy, posiadają podobne struktury, a zatem podobne funkcje. Zwykły emulgator posiada szkielet lipofilowy i hydrofilowe zakończenie. W emulsji indukuje on polarność w fazie lipofilowej. Ta „polarna” faza lipidowa w wodzie staje się micelą. Hydrofilowe zakończenia wytwarzają siłę odpychania, która powstrzymuje micele od zlewania się. Woski CPW podlegają tym samym regułom, co dotychczas dostępne technologie tworzenia emulsji. Tyle że teraz wiadomo już, że  zasady te można stosować również do wosków.

Analiza

Woski z serii Jeesperse CWP przeanalizowano na skaningowym kalorymetrze różnicowym (DSC). DSC mierzy temperaturę topnienia materiału oraz ilość energii potrzebną do stopienia wosku. Wielkość tę nazywa się „ciepłem fuzji” lub „ciepłem dysocjacji” materiału. Ponieważ wosków CPW nie trzeba ogrzewać podczas przygotowywania emulsji, można było sądzić, że pozwoli to zmniejszyć ilość energii niezbędną do dysocjacji wosku. Dane potwierdziły tę teorię;  redukcja  ciepła dysocjacji jest widoczna w przypadku wszystkich wosków CPW. Zasadniczo oznacza to, że wosk CPW pozwala zmniejszyć ilość energii potrzebną do rozdziału cząsteczek wosku. Rysunek 2 pokazuje, jak zmiany ilości poliakrylanu sodu wpływają na ciepło dysocjacji. Widać, jak  różnica ta zmienia ciepło dysocjacji wosku. Ciepło fuzji wosku słonecznikowego użytego do produkcji CPW-S wynosiło 208,6 (J/g). Dodanie 30% poliakrylanu sodu pozwoliło zredukować tę wartość do około 138 (J/g). Emulgator opisuje się jako posiadający lipofilowy szkielet z hydrofilowym zakończeniem. Polielektrolit posiada lipofilowy szkielet oraz wiele odgałęzień tego szkieletu, które są hydrofilowe. Różnicę tę można dostrzec i odczuć, porównując emulsje wykonane z tych dwóch materiałów. Emulgator tworzy micele, natomiast polielektrolit –  emulsję lamelarną. Fakt, że wosk w fazie lipidowej emulsji nie został stopiony, wpływa na sposób zachowania się emulsji z woskiem CPW. Poliakrylan/wosk będzie tworzyć usieciowaną strukturę, zatrzymującą wodę i olej. Dostępnych jest wiele polielektrolitów, które można zastosować w  tej technologii. Są to m.in. kwasy poliakrylowe, takie jak poliakrylan sodu, karbomer, lub kopolimery kwasów poliakrylowych. Istnieje wiele naturalnych rodzajów, spośród których można wybierać. Do produkcji wosku Jeesperse CPW można wykorzystać naturalne gumy, np. pektynę, alginiany i karageninę. Jak widać,  istnieje wiele kombinacji, które pozwolą uzyskać całkowicie naturalne systemy. Polielektrolity stosowane są w wielu dziedzinach przemysłu, chociażby do oczyszczania ścieków czy regulacji sypkości cementu. Przemysł spożywczy wykorzystuje te gumy do zagęszczania i uzyskiwania właściwej tekstury. Bada się też możliwość ich zastosowania w powłokach przemysłowych i podłożach biokompatybilnych. Powlekanie powierzchni materiału może pozwolić uzyskać powierzchnię, która odpowiada na zmiany w otoczeniu, a wzrost wilgotności czyni podłoże miękkim i może prowadzić do uwalniania lub pochłaniania substancji aktywnej, leczniczej lub funkcjonalnej. Firma Jeen International stara się opatentować zastosowanie polielektrolitów w indukowaniu polarności wosków, która umożliwia dyspersję wosku w zimnej wodzie.