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使用 ZLSIL™ 和 ZLCSIL™ 特种二氧化硅解决方案增强粉末流动性
创建于05.17
ZLSIL™ 特种二氧化硅和 ZLCSIL™ 气相二氧化硅作为流动助剂和抗结块剂技术手册
粉末原料广泛且日益广泛地应用于食品、制药、化工、建材等众多行业。优异的流动性是精确粉末处理、顺畅筒仓卸料和精确计量等的核心前提。然而，许多粉末本身具有高度的内聚性，难以加工。同时，受环境湿度、温度、压力等气候或操作条件的影响，大多数粉末在储存或运输过程中极易结块，这进一步增加了应用难度。
为解决这些行业痛点，中旗（山东）硅材料有限公司开发的ZLSIL™特种二氧化硅和ZLCSIL™气相二氧化硅系列产品，可作为高效流动助剂和抗结块剂。它们旨在解决各种粉体系统中流动性差、易结块的问题，为粉体产品的加工、储存和运输提供全流程稳定保障。
为了准确表征粉体的流动行为，行业内通常采用多种标准化测试方法，核心方法如下：
这是一种表征粉末流动性的经典方法。粉末通过筛网均匀地落到金属圆柱体的顶部，粉末会自然形成一个锥体。当颗粒落到锥体上时，它们会根据锥角和颗粒粘度粘附或滚动。随着颗粒的不断堆积，锥体变得越来越陡峭，直到重力超过颗粒间的内聚力，最终形成一个具有固定高度和斜率的锥体。通过测量锥体的高度或斜率的角度，可以得到粉末的“休止角”。颗粒粘度越强，休止角值越高，粉末流动性越差。反之，较低的休止角代表更好的粉末流动性。
这是一种粉末流动性的快速测试方法，可以使用一系列不同出口直径的玻璃漏斗来完成。有两种核心测试模式：一种是判断粉末是否能从相应口径的漏斗中不间断地流出，从而判断流动性等级；另一种是测量粉末通过特定出口直径漏斗的总时间。时间越短，粉末流动性越好。
这是一种更灵敏且易于操作的测试方法。测试过程中，将粉末倒入一组筛网中（最大孔径的筛网在最上面），并对筛网组进行固定时间的振荡。粉末会根据其自身的流动特性沉降到较低的筛网上。如果粉末具有极强的内聚力，大部分物料将保留在最上面的筛网上。粉末的流动性越好，通过筛网并沉降的物料量就越大，最终落入筛底盘的物料比例也越高。振荡后，称量每一层筛网上的残留物质量，将每层的质量乘以相应筛网的系数并相加，最终结果就是粉末流动性的定量测量值。
该方法具有更精密的测试程序，测试数据可用于精确计算筒仓的设计尺寸，以确保粉体顺畅排出。根据 Jenike 的经典理论，固结应力与散装物料强度之比 ffc 被定义为粉体流动性。Schultze 提出的环形剪切盒也作为经典剪切盒的优化方案在工业界得到广泛应用，以进一步提高测试精度。
根据Zimmermann等学者的研究，拉伸强度测试是量化低密度状态下粉体凝聚力的核心方法。测试过程中，一个涂有薄层凡士林薄膜的探针接触粉体的平坦表面，并以恒定速度提起。高灵敏度拉伸强度测试仪记录了将上层粉体与下层粉体分离所需的力。力值越小，粉体凝聚力越低，流动性越好。3 流动助剂的作用机理
所有粉末颗粒通过范德华力相互粘附。对于超细颗粒，范德华力的作用远大于促进颗粒分离和粉末流动的重力，这是细粉流动性普遍较差的核心原因。
助流剂本身是粒径极细的粉体材料，可以均匀地涂覆在载体粉体颗粒的表面，增加颗粒的表面粗糙度，而表面粗糙度的增加可以显著减小两个粉体颗粒之间的吸引力。ZLSIL™ 特种二氧化硅和 ZLCSIL™ 气相二氧化硅能够完美贴合并覆盖载体粉体颗粒的表面，有效隔离颗粒间的相互作用力，大大降低颗粒间的吸引力，这是其作为高效助流剂和抗结块剂的核心优势。
在本手册中，“结块”特指粉末在长期储存过程中流动性持续下降，极端情况下甚至形成整体固结块的现象。对应的“抗结块剂”则指在长期储存过程中能够持续保持粉末良好流动性的流动助剂产品。
为了在低添加水平下实现最佳的流动改善效果，流动助剂必须在宿主粉末的表面上细致分散。ZLSIL™ 特种硅和 ZLCSIL™ 烟熏硅可以通过简单的混合过程轻松实现这种细致分散，并且与包括犁刀混合机、桨式混合机或带式混合机在内的混合设备兼容。
ZLSIL™ 和 ZLCSIL™ 产品的不同型号具有差异化的分散特性。维尔茨堡大学 Zimmermann 教授的团队对这种效应进行了深入研究。在实验中，以玉米淀粉作为模型基质，将不同型号的 ZLSIL™ 和 ZLCSIL™ 产品以及行业标准的磷酸三钙 (TCP) 流动助剂与玉米淀粉混合，使用 Turbula® 混合器进行不同时间的混合。最后，通过拉伸强度测试评估系统的流动性。
实验结果表明，短时间混合后，所有测试的助流剂均能显著改善玉米淀粉的流动性，其中ZLSIL™ D 17等疏水性产品具有特别突出的改善效果。然而，当混合时间过长时，体系的流动性会再次下降。其核心原因是助流剂在玉米淀粉表面发生过度分散，导致颗粒表面粗糙度降低，流动改性效果丧失。
湿粉末流动性差的核心原因是粉末颗粒表面存在的液膜（液体可以是水、水溶液或油）将颗粒粘结在一起。流动助剂可以通过吸收颗粒表面的液膜来改善流动性。
为了实现高效的液体吸收，助流剂必须具有高孔隙率，并且能够通过毛细作用将液体吸收到孔隙结构中。这也是 ZLSIL™ 特种二氧化硅凭借其高孔隙率特性成为湿粉体系统优良助流剂的核心原因之一。然而，混合条件会直接影响助流剂的性能：如果二氧化硅的团聚体被过度解聚至亚微米级别，孔隙结构将被破坏，吸收能力将大大降低。换句话说，在干粉体系统中能够提高助流剂效率的精细分散，在湿粉体系统中反而会降低助流剂的效率。
因此，对于湿粉体系，高孔隙率和更强机械稳定性的二氧化硅产品更为适用。中启（山东）硅材料有限公司针对该场景开发了多种差异化的ZLSIL™特种二氧化硅和ZLCSIL™气相二氧化硅产品，能够精准匹配不同基粉的流变改性需求。
使用湿润的氯化钠混合物作为载体粉末的对照实验表明，湿润的盐体系本身流动性极差，漏斗法测得的流动等级为 7。添加 0.6% 的 ZLSIL™ 22 S 或 ZLSIL™ 50 S 后，在混合 1 分钟内，体系的流动性可提高至流动等级 2。然而，随着混合时间的延长，二氧化硅过度分散，孔隙率降低，体系的流动性再次恶化。根据混合强度，ZLSIL™ 22 S 的过度混合效应可能在几分钟内发生，而 ZLSIL™ 50 S 可以长时间保持高效率，而不会因混合时间延长而导致性能下降。同时，实验证实，降低剪切力、降低混合速度和强度可以显著延长 ZLSIL™ 22 S 的有效作用时间。
导致粉末结块的液体可分为水性和油性两大类。对于水性液体体系，疏水性二氧化硅除了通过吸附液体来改善流动性外，还可以进行高效改性，已被证明是吸湿性物质的特殊高效助流剂。疏水性二氧化硅不吸附水膜，而是悬浮在水膜上，保持颗粒间的稳定距离，并能在较低的添加量下实现流动性改善，其效率不受自身吸附能力限制。
需要注意的是，疏水性二氧化硅也对过度搅拌敏感。如果施加过大的剪切力，产品可能会被水润湿并失去改性效果。二氧化硅的疏水性越强，对过度搅拌的敏感性越低。对照实验表明，在潮湿的氯化钠体系中，添加0.4%的疏水性ZLCSIL™ D 10和ZLCSIL™ D 17后，盐的流动性可立即得到改善。然而，长时间搅拌后，由于过大的剪切能导致二氧化硅被润湿，体系流动性逐渐恶化。其中，ZLCSIL™ D 17的过度搅拌效应可在3分钟内发生，而ZLCSIL™ D 10具有更强的抗过度搅拌能力，在给定剪切速率下可搅拌长达12分钟而流动改性效果无任何下降。
助流剂在与主体粉末混合过程中的解聚行为在干粉和湿粉体系中会产生完全不同的效果：
1. 在干燥的硬粉体系中，流变助剂的解聚有助于更全面地覆盖主体粉末颗粒的表面，从而提高二氧化硅作为流变助剂的改性效率。
2. 在潮湿的粉末体系中，流变助剂的过度解聚会破坏二氧化硅的孔隙结构，降低孔隙率，进而削弱二氧化硅作为流变助剂的改性效率。
基于此，需要针对不同类型的粉末体系选择差异化的混合工艺和合适的二氧化硅型号。
诸如脂肪、蜡和乳化剂等软质材料的粉末在处理和运输过程中极难操作。尤其是在长期储存或长途运输过程中，这类粉末非常容易发生严重的结块；当产品暴露在温度波动环境中（例如海运场景）时，结块问题会进一步加剧。因此，高效的抗结块助剂对于这类粉末的长途运输和长期储存至关重要。
软性或热塑性粉末在温度升高或压力作用下会发生颗粒变形，然后相互粘附。二氧化硅可以均匀地涂覆在软性粉末颗粒的表面，形成隔离层，防止颗粒相互粘附。然而，与硬性粉末体系相比，要达到理想的抗结块效果，特别是长期的抗结块效果，需要更高的二氧化硅添加量：通常软性粉末体系中二氧化硅的添加量可高达5%，而硬性粉末体系通常只需添加量低于1%即可满足需求。
核心原因是，在储存过程中，部分防结块剂可能会渗透到软粉末颗粒的表面，从而导致表面隔离效率降低。只有添加足够量的防结块助剂，才能确保足够的助剂持续留在软粉末颗粒的表面，以维持长期的防结块和流动改性效果。
混合工艺对流动助剂的最终性能起着决定性作用，需要根据不同粉体体系的特性，精确匹配混合设备和工艺参数：
3. 对于干性硬质粉体，混合强度必须足够高，才能充分解聚二氧化硅团聚体，实现助剂在主体粉体表面的均匀包覆，充分混合可获得更好的流动改性效果。
4. 对于湿性粉体体系，过高的混合强度会部分破坏二氧化硅的孔隙结构，从而降低其抗结块和流动改性性能，因此需要温和的混合工艺。
5. 对于软性粉体体系，需要根据粉体的软化特性和颗粒强度调整混合强度，避免过大的剪切力破坏软性粉体的颗粒结构，同时保证二氧化硅的均匀分散。
不同混合设备的适用场景如下：
• 翻转混合机：可以提供极为温和的混合效果，特别适合超软粉末的加工。
• 锥形混合机（如Nauta混合机）：也具有温和的混合特性，对粉末颗粒的损伤最小，但需要更长的混合时间。
1. 桨式混合机：混合过程温和，同时可以在宏观尺度上实现优良的混合均匀性。它是软粉末和吸湿性粉末的理想选择，能够充分保留二氧化硅的孔结构。
2. 犁刀剪切混合机：混合能量更高，但仍然足够温和，不会将流动助剂压入软粉末的表面，适用于多种不同类型的粉末，所需的混合时间较短，可以根据实际需要灵活调整：吸湿性粉末的混合时间可以缩短，干硬粉末则适当延长。
3. 带式混合机：更高的混合强度和大剪切力，特别适合处理硬干粉。
对于喷雾干燥产品的流动改性，有一个特殊的工艺优化方案：将二氧化硅从原料浆中分离，并直接添加到喷雾干燥机中，可以使二氧化硅在热气流的作用下均匀分散在新颗粒的表面，完全避免机械应力对喷雾干燥粉末造成的损害，这是该类产品流动改性的有效方案。
核心尺寸 | 干燥硬质粉末 | 湿硬质粉末 | 软性粉体 |
适用二氧化硅类型 | 易分散型二氧化硅 | 高机械稳定性、高吸附性二氧化硅 | 易分散型二氧化硅 |
推荐添加量 | 低添加量，通常＜1% | 根据体系的液体含量灵活调整添加量 | 高添加量，高达5%，尤其适用于有长期抗结块要求的体系 |
混合过程要求 | 高强度全混合 | 低剪切温和搅拌 | 适度混合：确保硅的充分分散而不损坏软粉末颗粒结构 |
在实际的工业应用中，粉末产品常常同时具有多种特性。例如，果蔬粉可能同时含有淀粉等硬性、干燥、不吸湿的组分，以及糖类等吸湿性组分；奶粉可能同时含有吸湿性的乳糖和脂肪类软性组分。这些复合体系的流动行为将以复杂的方式整合上述表格中单一体系的特性，因此需要设计有针对性的解决方案。
中启（山东）硅材料有限公司可根据客户特定的材料特性和应用场景，提供专属的产品选型及工艺优化服务，并为客户在整个过程中提供ZLSIL™、ZLCSIL™、ZQSIL™系列产品的全方位技术支持和应用指导。
中旗（山东）硅材料有限公司。专注于高端食品和医药辅料级二氧化硅的研发、生产和销售。核心品牌：ZLSIL™、ZLXIDE™、ZLCSIL™。产品符合全球食品级标准，为全球食品和制药企业提供合规的高性能配方解决方案。
总部及生产基地提供全流程技术支持和定制化服务。
联系方式：电话 +86 53188737397 | 邮箱 Levin@silicaplant.com
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