DE4401867A1

DE4401867A1 - Verfahren zur Herstellung von Fettstoffdispersionen

Info

Publication number: DE4401867A1
Application number: DE4401867A
Authority: DE
Inventors: Achim Dr Ansmann; Rolf Kawa; Guido Baumoeller; Wolfgang Schmidt
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 1994-01-22
Filing date: 1994-01-22
Publication date: 1995-07-27

Description

Die Erfindung betrifft eine bei Normaltemperatur fließ- und pump fähige wäßrige Dispersion eines schmelzbaren Fettstoffes, die eine hohe Menge von bis zu 60 Gew. -% des Fettstoffes und eine verhält nismäßig geringe Menge von bis zu 1 Gew.-% eines kationischen und/ oder nichtionogenen Emulgators enthält.

Für die Herstellung zahlreicher flüssiger, wäßriger und emulsions förmiger Zubereitungen für kosmetische, pharmazeutische oder indu strielle Zwecke werden Fettstoffe verwendet, die in dispergierter Form die Eigenschaften dieser Zubereitungen beeinflussen. Die Ein arbeitung von Fettstoffen, die bei Normaltemperatur feste, wachsar tige Stoffe sind, erfordert ein Aufschmelzen und eine gleichmäßige stabile Dispergierung in der ebenfalls erwärmten Lösung oder Emul sion der übrigen Komponenten. Diese Arbeitsweise ist mit einem er heblichen Aufwand verbunden, so daß es für viele Verwender von Vor teil wäre, wenn solche Fettstoffe bereits in Form eines stabilen Dispersionskonzentrats verfügbar wären, das durch bloßes Vermischen homogen in anderen wäßrigen Zubereitungen verteilt werden kann.

Es sind bereits pumpfähige Dispersionen von Fettalkoholen aus EP-282 864 A1 bekannt, die 10-25 Gew. -% linearer Fettalkohole mit 14-22 C-Atomen und 0,01-1,0 Gew.-% eines kationischen Emul gators enthalten.

Aus DE 39 00 701 A1 sind fließfähige nichtionische Fettstoffdisper sionen bekannt, die eine hohe Menge von bis zu 60 Gew.-% eines schmelzbaren Fettstoffes mit einer verhältnismäßig geringen Menge von bis zu 1 Gew.-% eines nichtionischen Emulgators dispergiert ent halten.

Es wurde nun beobachtet, daß das in diesen Druckschriften angegebene Herstellungsverfahren zu Dispersionen führt, die eine sehr ungleich mäßige Teilchengrößenverteilung aufweisen und bei Lagerung instabil werden. Insbesondere wurde beobachtet, daß grobe Dispersionspartikel mit einem Teilchendurchmesser über 100 µm gebildet werden.

Das in EP-282 864 und WO 90/7976 angegebene Herstellungsverfahren benutzt zwar für den eigentlichen Emulgiervorgang Homogenisatoren, die hohe Scherkräfte zur Zerteilung des Fettstoffes einsetzen. Die Abkühlphase wird jedoch nur unter Rühren, also ohne weitere starke Scherung durchgeführt.

Es wurde nunmehr gefunden, daß solche Fettstoffdispersionen in einer gleichmäßigeren Teilchengrößenverteilung, insbesondere ohne Anteile grober Dispersionspartikel, und mit höherer Lagerstabilität erhalten werden, wenn die Dispersion während der genannten Abkühlphase star ken Scherkräften, wie sie in Homogenisatoren des Rotor-Stator-Typs erzeugt werden, ausgesetzt wird.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung wäßriger Dispersionen von wasserunlöslichen, im Temperaturbereich von 30°C-100°C schmelzenden Fettstoffen mit einem Gehalt von

(A) 10-60 Gew. -% eines oder mehrerer Fettstoffe und
(B) 0,01-1 Gew.-% eines oder mehrerer kationischer und/oder nichtionischer Emulgatoren,

wobei die Fettphase, bestehend aus dem Fettstoff und den darin lös lichen Emulgatoren auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Fettphase erwärmt wird und die Schmelze bei dieser Temperatur mit der ebenfalls auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Fettphase erwärmten Wasserphase, bestehend aus dem Wasser und den wasserlöslichen Emulgatoren, in einer statischen oder dynami schen Dispergiereinrichtung gemischt und homogenisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die dabei gebildete Emulsion während der gesam ten Abkühlphase bis auf eine Temperatur von 20°C oder darunter star ken Scherkräften eines Homogenisators ausgesetzt wird.

Als Fettstoffe (A) sind Paraffinkohlenwasserstoffe und alle wasser unlöslichen Fette im Schmelzbereich von ca. 30-100°C ge eignet. Beispiele für geeignete Fettstoffe sind vor allem Fettal kohole oder Fettalkoholgemische mit 14-22 C-Atomen, Fettsäuren oder Fettsäuregemische mit 12-22 C-Atomen, Fettsäure-Fettalkohol ester aus Fettsäuren und Fettalkoholen mit 12-22 Atomen, Dialkyl ether mit 16-44 C-Atomen, Ethylenglykol- oder Propylenglykol-Di fettsäureester oder Fettsäure-Glyceride von Fettsäuren mit 12-18 C-Atomen sowie Mischungen dieser Fettstoffe.

Als Emulgatoren bzw. Dispergatoren eignen sich kationische und nichtionische oberflächenaktive Verbindungen. Als kationische ober flächenaktive Verbindungen mit einer für den Erfindungszweck erfor derlichen Dispergierwirkung eignen sich Verbindungen, die neben einer wasserlöslich machenden, quartären Ammonium-, Pyridinium- oder Imidazoliniumgruppe eine lipophile, lineare Alkyl- oder 2-Hydroxyal kylgruppe mit 8 bis 22 C-Atomen enthalten. Solche Verbindungen sind z. B. Cetylpyridiniumchlorid, 2-Alkyl(C₁₅)-1-(2′-hydroxyethyl)-1- methylimidazolinium-methosulfat, 2-Undecyl-1-(2-hydroxyethyl)-1-me thyl-imidazoliniumchlorid oder 2-Talgalkyl-1-Talgacylaminoethyl ethyl-imidazoliniumethosulfat.

Unter den zahlreichen quartären Ammoniumverbindungen kommt im Hin blick auf eine besonders gute Dispergierwirkung den Verbindungen der Formel (I)

in der R¹ eine Alkyl- oder 2-Hydroxyalkylgruppe mit 8 bis 22 C-Ato men, eine Gruppe R⁵CONH(CH₂)_x-, worin R⁵ eine Alkylgruppe mit 7 bis 21 C-Atomen und x eine ganze Zahl von 2 bis 4 ist, R² und Rⁿ eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 C-Atomen oder eine Gruppe der Formel -(C_nH_2nO)_y-H ist, worin n eine ganze Zahl von 2 bis 4 und y eine Zahl von 1 bis 10 ist, und R⁴ eine Benzylgruppe ist oder eine der für R² und Rⁿ angegebenen Bedeutungen hat und Z^(-) ein Chlorid, Bro mid, Hydrogensulfat, Hydrogenphosphat, Methoxysulfat oder Ethoxysul fat-Anion ist, eine besondere Bedeutung für die vorliegende Erfin dung zu. Besonders geeignete Beispiele solcher kationischer ober flächenaktiver Verbindungen sind z. B. Cetyl-trimethylammoniumchlo rid, Lauryl-dimethyl-benzyl-ammoniumchlorid, 2-Hydroxycetyl-2-hy droxyethyl-dimethyl-ammoniumchlorid, Lauryl-trimethylammoniumchlorid oder Behenyl-trimethylammoniumchlorid.

Unter den kationischen oberflächenaktiven quartären Ammoniumverbin dungen der Formel (I) sind besonders solche bevorzugt als Disper giermittel für die erfindungsgemäße Fettalkoholdispersion geeignet, in welchen R¹ eine Alkyl- oder 2-Hydroxyalkylgruppe mit 12 bis 18 C-Atomen, R², Rⁿ und R⁴ Methyl- oder 2-Hydroxyethylgruppen und Z^(-) ein Chloridanion ist.

Als nichtionische Dispergatoren (B) eignen sich besonders Anlage rungsprodukte von Ethylenoxid an Fettalkohole, an Fettsäuren, an Fettsäureamide, an Fettsäurealkanolamide, an Fettsäuremono- und -diglyceride, an Fettsäure-Propylenglykolmono- und -diester, an Fettsäuresorbitanpartialester und an andere Fettsäure-polyol-par tialester, an Alkylmono- oder -oligoglycoside, an Methylglucosid monofettsäureester und an Alkylphenole. Die genannten Emulgatoren sollten eine Alkyl- oder Acylgruppe mit 12-22 C-Atomen aufweisen.

Das Gewichtsverhältnis von hydrophilen zu lipophilen Gruppen in diesen Ethylenoxidaddukten sollte so sein, daß das Gewicht der li pophilen Alkyl- oder Acylgruppen etwa 2-40 Gew.-% des Gesamtmole küls ausmacht. Der HLB-Wert dieser Emulgatoren, der sich nach der Formel

ermitteln läßt (in der L der Gehalt an lipophilen Gruppen in Gew. -% im Addukt ist), sollte also bevorzugt im Bereich von 12-19,6 lie gen.

Die Herstellung solcher Ethylenoxidaddukte durch Anlagerung von Ethylenoxid an Verbindungen mit beweglichen Wasserstoffatomen, z. B. an Verbindungen mit Hydroxylgruppen, Carboxylgruppen oder Aminogrup pen ist bekannt (vgl. H. Schönfeldt, Surface Active Ethylene Oxide Adducts, Pergamon Press 1969). Es ist auch bekannt, daß dabei nicht einheitliche Polyglycolether entstehen, sondern Gemische homologer Polyglycolether, deren mittlerer Oxethylierungsgrad der Molmenge des angelagerten Ethylenoxids entspricht.

Besonders gut geeignete Ethylenoxidaddukte sind die Anlagerungspro dukte von 20-150 Mol Ethylenoxid an Fettalkohole mit 12-22 C- Atomen, an Fettsäuren mit 12-22 C-Atomen, an Fettsäuremono- oder -diglyceride, an Fettsäure-Sorbitanmonoester oder an Fettsäurepropy lenglykolmonoester von Fettsäuren mit 12-22 C-Atomen, an Ricinusöl oder hydriertes Ricinusöl, an ein Alkyl-mono- oder -oligoglycosid mit 12-22 Atomen in der Alkylgruppe oder an ein Alkylphenol mit 8-15 Atomen in der Alkylgruppe sowie Mischungen dieser Emulgatoren.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ganz besonders zur Her stellung von Dispersionen, die als Fettstoff einen Fettalkohol mit 14-22 C-Atomen und als Emulgator eine kationische oberflächenak tive Verbindung mit einer quartären Ammonium-, Pyridinium- oder Imidazoliniumgruppe und einer linearen Alkyl- oder 2-Hydroxyalkyl gruppe mit 8-22 C-Atomen enthalten. Zur Herstellung solcher Dispersionen werden bevorzugt

(A) 16-30 Gew.-% eines Fettalkohols mit 14-22 C-Atomen und
(B) 0,01-0,5 Gew.-% der kationischen oberflächenaktiven Verbin dung als Emulgator

eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch zur Herstellung nicht ionischer Fettstoffdispersionen mit besonders hohem Fettstoffgehalt eingesetzt werden. Auch hierfür sind Fettalkohole mit 14-22 C-Ato men das bevorzugte Substrat.

Solche bevorzugten, konzentrierten, nichtionischen Fettalkohol- Dispersionen werden bevorzugt unter Einsatz von

(A) 25-50 Gew. -% eines Fettalkohols mit 14-22 C-Atomen und
(B) 0,1- 0,5 Gew.-% eines Anlagerungsproduktes von 20-100 Mol Ethylenoxid (EO) an einem Fettalkohol mit 14-22 C-Atomen

hergestellt.

In das erfindungsgemäße Verfahren können neben den zu emulgierenden Fettstoffen auch weitere bekannte Hilfs- und Zusatzstoffe eingesetzt werden, die der Stabilisierung der Emulsion oder ihrem späteren Ver wendungszweck dienen. Hierzu gehören z. B. wasserlösliche Polymere, Komplexbildner, Puffersubstanzen, Konservierungsmittel, kosmetische und pharmazeutische Wirkstoffe, Farb- und Duftstoffe.

Das erfindungsgemäße Herstellverfahren entspricht zunächst der li teraturbekannten Arbeitsweise: Die fettlöslichen Emulgatoren, dies sind in der Regel die nichtionischen Emulgatoren, werden mit dem Fettstoff und gegebenenfalls anderen fettlöslichen Hilfsmittel zur Fettphase vereinigt und auf eine Temperatur oberhalb des Schmelz punktes der Fettphase erwärmt. Diese Temperatur sollte nicht mehr als 50°C oberhalb dieses Schmelzpunktes liegen, in der Regel ist eine Temperatur um 5-20°C oberhalb des Schmelzpunktes der Fett phase ausreichend.

Die nicht fettlöslichen Emulgatoren, dies sind in der Regel die ka tionischen oberflächenaktiven Stoffe, die als wäßrige Lösung einge setzt werden, sowie gegebenenfalls andere wasserlösliche Hilfsmit tel, werden mit dem Wasser oder mit einem Teil des Wassers zur Was serphase vereinigt und auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunk tes der Fettphase erwärmt. In der Regel wird die Wasserphase auf die gleiche Temperatur wie die Fettphase erwärmt. Da der Schmelzbereich der Fettphase in der Regel unter 100°C liegt, ist die Anwendung von Druck zur Erwärmung der Wasserphase meist nicht erforderlich.

Fettphase und Wasserphase werden dann in einer statischen oder dyna mischen Mischeinrichtung gemischt und homogenisiert. Auch für diese Homogenisierung hat sich die Verwendung von Geräten des Rotor-Sta tor-Typs bewährt. Nach dem Erreichen einer ausreichenden Teilchen zerkleinerung und Homogenisierung, d. h. nach Erreichen einer mittle ren Teilchengröße von weniger als 50 µm, kann mit der Abkühlung der Emulsion begonnen werden. Bei dieser Abkühlung verfestigen sich die Teilchen des Fettstoffes, d. h. es bildet sich eine Dispersion. Es hat sich nun als entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren erwiesen, daß während der gesamten Abkühlphase die Scherkräfte eines Homogenisators, bevorzugt vom Rotor-Stator-Typ, auf die Emulsion bzw. Dispersion einwirken.

Homogenisatoren des Rotor-Stator-Typs sind an sich bekannte Vor richtungen, die zur Emulgierung und Homogenisierung von Emulsionen verwendet werden. Bekannte Ausführungsformen sind die Homogenisa toren des Typs Supraton®, Pentax®), Ultra-Turrax® oder Homo- Rex®. Das Prinzip solcher Rotor-Stator-Homogenisatoren besteht darin, daß zwischen einem rotierenden Rührer und statischen Elemen ten ein Spalt entsteht, so daß durch die Rotation hohe Scherkräfte auf ein kleines Volumen der Dispersion ausgeübt werden.

Die Homogenisierung kann dabei entweder unter Verwendung sogenannter Tauch-Homogenisatoren erfolgen, die in den Behälter mit der Disper sion eingetaucht werden. Der Homogenisator kann aber auch in ein Rohr eingebaut sein, durch welches die Dispersion während der Ab kühlphase umgepumpt wird. In diesem Falle spricht man von einer Zwangshomogenisierung.

Die folgenden Beispiele zeigen, daß es nicht ausreicht, gegen Ende der Abkühlphase eine Homogenisierung durchzuführen, sondern daß wäh rend des Erstarrens der Fettphase, also während der ganzen Abküh lungszeit, eine hohe Scherenergie auf die Emulsion einwirken muß, um eine gleichmäßige Teilchengrößenverteilung und eine gute Lagerstabi lität der Dispersion zu erhalten.

Beispiele

Die in der Tabelle aufgeführten Dispersionen wurden wie folgt herge stellt:

Eine Mischung aus Wasser und quartärer Ammoniumverbindung wurde auf 80°C erwärmt und mit der auf 80°C erwärmten Schmelze der Fettalko hole in einem Homogenisator vom Rotor-Stator-Typ unter Einsatz hoher Scherkräfte dispergiert. Die Dispersion Nr. 1 und Nr. 2 wurden bei ständiger Scherung im Homogenisator auf 20°C abgekühlt.

Die Dispersionen 1V und 2V (Vergleichsprodukte) wurden ohne Rotor- Stator-Homogenisator auf 60°C, dann kurzzeitig mit Homogenisator bis 40°C und dann wieder ohne Homogenisator bis 20°C gekühlt.

Schließlich wurden die Dispersionen nach 12 Wochen Lagerung bei 40°C auf ihre Teilchengrößenverteilung untersucht. Die Vergleichs-Disper sionen 1V und 2V zeigten grobe Partikel mit beginnender Inhomogeni tät. Nach Verdünnung von 1 Gewichtsteil Dispersion mit 2 Gewichts teilen Wasser (20°C) wurde über ein 100-µm-Sieb filtriert und der Filterrückstand bestimmt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung wäßriger Dispersionen von wasserunlös lichen, im Temperaturbereich von 30°C-100°C schmelzbaren Fett stoffen mit einem Gehalt von (A) 10-60 Gew. -% eines oder mehrerer Fettstoffe und
(B) 0,01-1 Gew. -% eines oder mehrerer kationischer und/oder nichtionischer Emulgatoren,wobei die Fettphase, bestehend aus dem Fettstoff und den darin löslichen Emulgatoren auf eine Temperatur oberhalb des Schmelz punktes der Fettphase erwärmt wird und die Schmelze bei dieser Temperatur mit der ebenfalls auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Fettphase erwärmten Wasserphase, bestehend aus dem Wasser und den wasserlöslichen Emulgatoren in einer statischen oder dynamischen Dispergiereinrichtung gemischt und homogenisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die dabei ge bildete Emulsion während der gesamten Abkühlphase bis auf eine Temperatur von 20°C oder darunter starken Scherkräften eines Homogenisators ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildete Emulsion unter Einwirkung eines Homogenisators vom Rotor-Stator-Typ abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fettstoff ein Fettalkohol mit 14-22 C-Atomen und als Emul gator eine kationische oberflächenaktive Verbindung mit einer quartären Ammonium-, Pyridinium- oder Imidazoliniumgruppe und einer linearen Alkyl- oder 2-Hydroxyalkylgruppe mit 8-22 C- Atomen eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß (A) 16-30 Gew. -% eines Fettalkohols mit 14-22 C-Atomen und
(B) 0,01-0,5 Gew.-% der kationischen oberflächenaktiven Ver bindung als Emulgatoreingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß (A) 25-50 Gew. -% eines Fettalkohols mit 14-22 C-Atomen und
(B) 0,1-0,5 Gew.-% eines Anlagerungsproduktes von 20-100 Mol Ethylenoxid an einen Fettalkohol mit 14-22 C-Atomeneingesetzt werden.