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Verbessern Sie die Pulverfließfähigkeit mit den Spezial-Silikalösungen ZLSIL™ & ZLCSIL™
Erstellt 05.17
Technisches Handbuch für ZLSIL™ Spezial-Silica und ZLCSIL™ pyrogene Kieselsäure als Fließhilfsmittel und Antibackmittel
Pulverförmige Rohstoffe werden in der Lebensmittel-, Pharma-, Chemie-, Baustoff- und vielen anderen Industrien weit verbreitet und zunehmend eingesetzt. Eine ausgezeichnete Fließfähigkeit ist eine Kernvoraussetzung für die genaue Handhabung von Pulvern, eine reibungslose Siloentleerung und eine präzise Dosierung. Viele Pulver sind jedoch von Natur aus stark kohäsiv und schwer zu verarbeiten. Gleichzeitig sind die meisten Pulver, beeinflusst durch Umgebungsfeuchtigkeit, Temperatur, Druck und andere klimatische oder betriebliche Bedingungen, extrem anfällig für Verklumpung während der Lagerung oder des Transports, was die Anwendungsschwierigkeit weiter erhöht.
Um diese branchenspezifischen Probleme anzugehen, dienen die ZLSIL™ Spezialsilika und die ZLCSIL™ rauchsilika-Serie, die von Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. entwickelt wurden, als hocheffiziente Fließhilfen und Antiklumpmittel. Sie zielen darauf ab, die Probleme der schlechten Fließfähigkeit und der leichten Klumpenbildung in verschiedenen Pulversystemen zu lösen und bieten eine durchgängige stabile Garantie für die Verarbeitung, Lagerung und den Transport von Pulverprodukten.
Um das Fließverhalten von Pulvern genau zu charakterisieren, werden in der Branche eine Vielzahl standardisierter Prüfmethoden verwendet, wobei die Kernmethoden wie folgt sind:
Dies ist eine klassische Methode zur Charakterisierung der Pulverfließfähigkeit. Pulver wird gleichmäßig durch ein Sieb auf die Oberseite eines Metallzylinders fallen gelassen, und das Pulver bildet auf natürliche Weise einen Kegel. Wenn Partikel auf den Kegel fallen, haften sie an oder rollen ab, abhängig vom Kegelwinkel und der Partikelviskosität. Während sich die Partikel weiter ansammeln, wird der Kegel steiler, bis die Schwerkraft die Kohäsion zwischen den Partikeln überwindet und schließlich ein Kegel mit fester Höhe und Neigung entsteht. Durch Messung der Höhe des Kegels oder des Neigungswinkels kann der "Auflockerungswinkel" des Pulvers ermittelt werden. Je stärker die Partikelviskosität, desto höher ist der Auflockerungswinkelwert und desto schlechter ist die Pulverfließfähigkeit. Umgekehrt repräsentiert ein niedrigerer Auflockerungswinkel eine bessere Pulverfließfähigkeit.
Dies ist eine Schnelltestmethode für die Pulverfließfähigkeit, die mit einer Reihe von Glas Trichtern mit unterschiedlichen Auslassdurchmessern durchgeführt werden kann. Es gibt zwei Kernprüfmodi: Einer ist die Bestimmung, ob das Pulver ununterbrochen aus dem Trichter des entsprechenden Kalibers fließen kann, um die Fließfähigkeitsklasse zu beurteilen; der andere ist die Messung der Gesamtzeit, die das Pulver benötigt, um den Trichter mit einem bestimmten Auslassdurchmesser zu durchlaufen. Je kürzer die Zeit, desto besser die Pulverfließfähigkeit.
Dies ist eine empfindlichere und einfacher zu bedienende Testmethode. Während des Tests wird das Pulver in einen Siebkorb gegossen (mit dem Sieb mit der größten Maschenweite oben) und der Siebkorb wird für eine feste Zeitdauer oszilliert. Das Pulver setzt sich entsprechend seinen eigenen Fließeigenschaften auf den unteren Sieben ab. Wenn das Pulver eine extrem starke Kohäsion aufweist, verbleibt der Großteil des Materials auf dem obersten Sieb. Je besser die Pulverfließfähigkeit ist, desto größer ist die Menge des Materials, das durch das Sieb fällt und sich absetzt, und desto höher ist der Anteil des Materials, das schließlich in die Siebpfanne fällt. Nach der Oszillation wird die Masse der Rückstände auf jeder Siebschicht gewogen, die Masse jeder Schicht mit dem Koeffizienten des entsprechenden Siebs multipliziert und aufsummiert. Das Endergebnis ist der quantitative Messwert der Pulverfließfähigkeit.
Diese Methode hat ein ausgefeilteres Testverfahren, und die Testdaten können verwendet werden, um die Auslegungsgroße des Silos genau zu berechnen und eine reibungslose Pulverentleerung zu gewährleisten. Nach Jenikes klassischer Theorie wird das Verhältnis ffc von Konsolidierungsspannung zu Schüttgutfestigkeit als Pulverfließfähigkeit definiert. Die von Schultze vorgeschlagene Ring-Scherzelle wird in der Industrie ebenfalls häufig als optimierte Lösung der klassischen Scherzelle eingesetzt, um die Testgenauigkeit weiter zu verbessern.
Laut der Forschung von Wissenschaftlern wie Zimmermann ist der Zugfestigkeitstest die Kernmethode zur Quantifizierung des Zusammenhalts von Pulver in einem Zustand geringer Dichte. Während des Tests kontaktiert eine Sonde mit einer dünnen Vaseline-Filmschicht die flache Oberfläche des Pulvers und wird mit konstanter Geschwindigkeit angehoben. Ein hochempfindlicher Zugfestigkeitstester zeichnet die Kraft auf, die erforderlich ist, um die obere Pulverschicht von der unteren Schicht zu trennen. Je kleiner der Kraftwert, desto geringer ist der Pulverzusammenhalt und desto besser ist die Fließfähigkeit.3 Wirkungsmechanismus von Fließhilfsmitteln
Alle Pulverpartikel haften durch van der Waals-Kräfte aneinander. Bei ultrafeinen Partikeln ist der Effekt der van der Waals-Kräfte viel größer als die Schwerkraft, die die Partikeltrennung und den Pulverfluss fördert, was der Hauptgrund für die im Allgemeinen schlechte Fließfähigkeit feiner Pulver ist.
Fließhilfsmittel selbst sind Pulvermaterialien mit extrem feiner Partikelgröße, die gleichmäßig auf der Oberfläche von Wirtspulverpartikeln beschichtet werden können, um die Oberflächenrauheit der Partikel zu erhöhen. Die Erhöhung der Oberflächenrauheit kann die Anziehungskraft zwischen zwei Pulverpartikeln erheblich reduzieren. ZLSIL™ Spezialkieselsäure und ZLCSIL™ pyrogene Kieselsäure passen sich perfekt an die Oberfläche von Wirtspulverpartikeln an und bedecken diese, isolieren effektiv die Wechselwirkungskraft zwischen den Partikeln und reduzieren die interpartikuläre Anziehung erheblich, was der Kernvorteil ihrer Verwendung als hocheffiziente Fließhilfsmittel und Antibackmittel ist.
In diesem Handbuch bezieht sich "Verklumpung" speziell auf das Phänomen, dass die Fließfähigkeit des Pulvers im Laufe der Zeit aufgrund langfristiger Lagerung weiterhin abnimmt und im Extremfall sogar einen insgesamt konsolidierten Block bildet. Das entsprechende "Antiverklumpungsmittel" bezieht sich auf ein Fließhilfsmittel, das die gute Fließfähigkeit des Pulvers während der langfristigen Lagerung kontinuierlich aufrechterhalten kann.
Um den besten Fließverbesserungseffekt bei geringer Zugabemenge zu erzielen, muss das Fließhilfsmittel auf der Oberfläche des Trägerpulvers fein dispergiert werden. ZLSIL™ Spezialkieselsäure und ZLCSIL™ pyrogene Kieselsäure können diese feine Dispersion durch einen einfachen Mischprozess leicht erreichen und sind mit Mischgeräten wie Pflugscharmischern, Paddelmischern oder Bandmischern kompatibel.
Verschiedene Modelle der ZLSIL™- und ZLCSIL™-Produkte weisen unterschiedliche Dispersionseigenschaften auf. Professor Zimmermanns Team an der Universität Würzburg hat diesen Effekt eingehend erforscht. Im Experiment wurde Maisstärke als Modellmatrix verwendet und verschiedene Modelle der ZLSIL™- und ZLCSIL™-Produkte sowie das branchenübliche Fließhilfsmittel Tricalciumphosphat (TCP) wurden mit Maisstärke für unterschiedliche Mischzeiten unter Verwendung eines Turbula®-Mischers vermischt. Abschließend wurde die Fließfähigkeit des Systems durch einen Zugfestigkeitstest bewertet.
Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass nach kurzem Mischen alle getesteten Fließhilfsmittel die Fließfähigkeit von Maisstärke signifikant verbessern konnten, wobei hydrophobe Produkte wie ZLSIL™ D 17 einen besonders herausragenden Verbesserungseffekt erzielten. Bei zu langer Mischzeit nahm die Fließfähigkeit des Systems jedoch wieder ab. Der Kerngrund dafür ist, dass das Fließhilfsmittel auf der Oberfläche von Maisstärke überdispergiert wurde, was zu einer verringerten Rauheit der Partikeloberfläche und einem Verlust des Fließmodifikationseffekts führte.
Der Hauptgrund für die schlechte Fließfähigkeit von feuchten Pulvern ist, dass der Flüssigkeitsfilm (die Flüssigkeit kann Wasser, wässrige Lösung oder Öl sein), der auf der Oberfläche der Pulverpartikel vorhanden ist, die Partikel zusammenbindet. Fließhilfsmittel können die Fließfähigkeit verbessern, indem sie den Flüssigkeitsfilm auf der Partikeloberfläche absorbieren.
Um eine effiziente Flüssigkeitsaufnahme zu erreichen, müssen Fließhilfsmittel eine hohe Porosität aufweisen und Flüssigkeit durch Kapillarwirkung in die Porenstruktur aufnehmen können. Dies ist einer der Hauptgründe, warum ZLSIL™ Spezialkieselsäure aufgrund ihrer hohen Porosität ein ausgezeichnetes Fließhilfsmittel für feuchte Pulversysteme ist. Die Mischbedingungen beeinflussen jedoch direkt die Leistung des Hilfsmittels: Wenn die Kieselsäureagglomerate bis auf Submikron-Niveau überdepolymerisiert werden, wird die Porenstruktur zerstört und die Aufnahmekapazität stark reduziert. Mit anderen Worten: Die Feinverteilung, die die Effizienz des Hilfsmittels in Trockenpulversystemen verbessern kann, reduziert stattdessen die Effizienz des Hilfsmittels in Feuchtpulversystemen.
Daher sind für feuchte Pulversysteme Silikaprodukte mit hoher Porosität und stärkerer mechanischer Stabilität besser geeignet. Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. hat für dieses Szenario eine Vielzahl von differenzierten ZLSIL™ Spezialkieselsäuren und ZLCSIL™ pyrogenen Kieselsäureprodukten entwickelt, die den Fließmodifikationsanforderungen verschiedener Basispulver genau entsprechen können.
Ein kontrolliertes Experiment mit einer feuchten Natriumchlorid-Mischung als Trägerpulver zeigte, dass das feuchte Salzsystem selbst eine extrem schlechte Fließfähigkeit aufwies, mit einer Fließgüte von 7, gemessen nach der Trichter-Methode. Nach Zugabe von 0,6 % ZLSIL™ 22 S oder ZLSIL™ 50 S konnte die Fließfähigkeit des Systems innerhalb von 1 Minute Mischzeit auf die Fließgüte 2 verbessert werden. Mit zunehmender Mischzeit wurde das Siliziumdioxid jedoch überdispergiert, die Porosität verringert und die Fließfähigkeit des Systems verschlechterte sich erneut. Abhängig von der Mischintensität konnte der Übermischungseffekt von ZLSIL™ 22 S innerhalb weniger Minuten auftreten, während ZLSIL™ 50 S lange Zeit eine hohe Effizienz aufrechterhalten konnte, ohne dass es aufgrund verlängerter Mischzeit zu Leistungsausfällen kam. Gleichzeitig bestätigte das Experiment, dass die Reduzierung der Scher- und Abnahme der Mischgeschwindigkeit und -intensität die wirksame Wirkungszeit von ZLSIL™ 22 S signifikant verlängern konnte.
Die Flüssigkeiten, die die Klebrigkeit von Pulvern verursachen, lassen sich in wasserbasierte und ölbasiierte Kategorien einteilen. Für wasserbasierte Flüssigkeitssysteme kann hydrophobes Siliziumdioxid neben der Verbesserung der Fließfähigkeit durch Absorption von Flüssigkeit auch für eine effiziente Modifizierung eingesetzt werden, was sich als spezielles Hochleistungs-Fließhilfsmittel für hygroskopische Substanzen erwiesen hat. Hydrophobes Siliziumdioxid absorbiert den Wasserfilm nicht, sondern suspendiert sich auf dem Wasserfilm, um einen stabilen Abstand zwischen den Partikeln aufrechtzuerhalten, und kann die Fließfähigkeit bei geringerer Zugabemenge verbessern, wobei seine Effizienz nicht durch seine eigene Absorptionskapazität begrenzt ist.
Es ist zu beachten, dass hydrophobes Siliziumdioxid auch empfindlich auf Übermischung reagiert. Wenn übermäßige Scherkräfte angewendet werden, kann das Produkt durch Wasser benetzt werden und seine Modifizierungswirkung verlieren. Je stärker die Hydrophobizität von Siliziumdioxid ist, desto geringer ist die Empfindlichkeit gegenüber Übermischung. Kontrollversuche zeigten, dass bei einem feuchten Natriumchloridsystem nach Zugabe von 0,4 % hydrophobem ZLCSIL™ D 10 und ZLCSIL™ D 17 die Fließfähigkeit des Salzes sofort verbessert werden konnte. Nach langem Mischen verschlechterte sich die Fließfähigkeit des Systems jedoch allmählich aufgrund der Benetzung des Siliziumdioxids durch übermäßige Scherenergie. Unter diesen Bedingungen konnte der Übermischungseffekt von ZLCSIL™ D 17 innerhalb von 3 Minuten auftreten, während ZLCSIL™ D 10 eine stärkere Anti-Übermischungsfähigkeit aufwies und bis zu 12 Minuten bei der gegebenen Schergeschwindigkeit ohne jegliche Abnahme der Fließmodifizierungswirkung gemischt werden konnte.
Das Depolymerisationsverhalten von Fließhilfen während des Mischens mit dem Wirts-Pulver erzeugt völlig unterschiedliche Effekte in trockenen und feuchten Pulversystemen:
1. In trockenen Pulversystemen verbessert die Depolymerisation von Fließhilfsmitteln die umfassendere Bedeckung der Oberfläche von Wirtspartikelpulvern und erhöht somit die Modifizierungseffizienz von Siliciumdioxid als Fließhilfsmittel.
2. In feuchten Pulversystemen zerstört eine übermäßige Depolymerisation von Fließhilfsmitteln die Porenstruktur von Siliciumdioxid, reduziert die Porosität und schwächt dann die Modifizierungseffizienz von Siliciumdioxid als Fließhilfsmittel.
Basierend darauf müssen für verschiedene Arten von Pulversystemen differenzierte Mischverfahren und geeignete Siliciumdioxidmodelle ausgewählt werden.
Pulver von weichen Materialien wie Fetten, Wachsen und Emulgatoren sind bei Handhabung und Transport äußerst schwierig zu handhaben. Insbesondere bei langfristiger Lagerung oder Ferntransporten neigt diese Art von Pulver stark zur Verklumpung; wenn das Produkt Temperaturschwankungen ausgesetzt ist (wie z. B. bei Seefracht), verschlimmert sich das Verklumpungsproblem weiter. Daher sind effiziente Antibackmittel für den Fern- und Langzeit-Transport dieser Art von Pulver unerlässlich.
Weiche oder thermoplastische Pulver erfahren eine Partikelverformung und haften dann aneinander, wenn die Temperatur steigt oder unter Druck steht. Siliciumdioxid kann gleichmäßig auf der Oberfläche von weichen Pulverpartikeln beschichtet werden, um eine Isolierschicht zu bilden und ein Zusammenhaften der Partikel zu verhindern. Im Vergleich zu Hartpulversystemen ist jedoch eine höhere Siliciumdioxid-Zugabemenge erforderlich, um den idealen Rieselschutz, insbesondere den langfristigen Rieselschutz, zu erzielen: Üblicherweise kann die Siliciumdioxid-Zugabemenge in Weichpulversystemen bis zu 5 % betragen, während Hartpulversysteme normalerweise nur eine Zugabemenge von weniger als 1 % benötigen, um den Bedarf zu decken.
Der Hauptgrund dafür ist, dass ein Teil des Trennmittels während der Lagerung in die Oberfläche von weichen Pulverpartikeln eindringen kann, was zu einer verringerten Oberflächenisolationswirkung führt. Nur durch die Zugabe einer ausreichenden Menge an Trennmittelzusatz können wir sicherstellen, dass genügend Zusatz kontinuierlich auf der Oberfläche von weichen Pulverpartikeln verbleibt, um die langfristige Trenn- und Fließmodifikationswirkung aufrechtzuerhalten.
Der Mischprozess spielt eine entscheidende Rolle in der endgültigen Leistung von Fließhilfen, und die Mischgeräte sowie die Prozessparameter müssen genau auf die Eigenschaften verschiedener Pulversysteme abgestimmt werden:
3. Für trockene harte Pulver muss die Mischintensität hoch genug sein, um die Silica-Agglomerate vollständig zu depolymerisieren, eine gleichmäßige Abdeckung des Hilfsmittels auf der Oberfläche des Trägers zu erreichen, und eine vollständige Mischung kann einen besseren Fließmodifikationseffekt erzielen.
4. Für feuchte Pulversysteme wird eine übermäßige Mischintensität die Porenstruktur von Silica teilweise zerstören, wodurch die Anti-Verklumpungs- und Fließmodifikationseigenschaften verringert werden, weshalb ein sanfter Mischprozess erforderlich ist.
5. Für weiche Pulversysteme muss die Mischintensität entsprechend den Weichheitseigenschaften und der Partikelstärke des Pulvers angepasst werden, um Schäden an der Partikelstruktur des weichen Pulvers durch übermäßige Scherkräfte zu vermeiden, während eine gleichmäßige Dispersion von Silica sichergestellt wird.
Die anwendbaren Szenarien verschiedener Mischgeräte sind wie folgt:
• Trommelmischer: kann einen äußerst sanften Misch-Effekt bieten, besonders geeignet für die Verarbeitung von ultra-weichen Pulvern.
• Kegel-Mischer (wie Nauta-Mischer): hat ebenfalls milde Mischmerkmale, mit minimalen Schäden an den Pulverpartikeln, erfordert jedoch eine längere Mischzeit.
1. Paddelmischer: der Mischprozess ist mild und kann gleichzeitig eine hervorragende Mischgleichmäßigkeit im Makromaßstab erreichen. Es ist eine ideale Wahl für weiche Pulver und hygroskopische Pulver und kann die Porenstruktur von Silica vollständig erhalten.
2. Pflugscherrmischer: höhere Mischenergie, aber immer noch mild genug, wird das Fließhilfsmittel nicht in die Oberfläche von weichen Pulvern drücken, geeignet für viele verschiedene Arten von Pulvern, mit kürzerer erforderlicher Mischzeit, die flexibel an die tatsächlichen Bedürfnisse angepasst werden kann: die Mischzeit kann für hygroskopische Pulver verkürzt und für trockene harte Pulver angemessen verlängert werden.
3. Bandmischer: höhere Mischintensität und große Scherkraft, besonders geeignet für die Verarbeitung von harten Trockenpulvern.
Für die Fließfähigkeitsmodifikation von sprühgetrockneten Produkten gibt es ein spezielles Prozessoptimierungsschema: Die Abtrennung von Siliziumdioxid aus der Rohmaterialaufschlämmung und dessen direkte Zugabe in den Sprühtrockner kann dazu führen, dass sich das Siliziumdioxid unter der Einwirkung des Heißluftstroms gleichmäßig auf der Oberfläche neuer Partikel verteilt und die Beschädigung des sprühgetrockneten Pulvers durch mechanische Belastung vollständig vermieden wird. Dies ist ein effizientes Schema zur Fließfähigkeitsmodifikation solcher Produkte.
Kernabmessung | Trockene harte Pulver | Feuchte harte Pulver | Weiche Pulver |
Geeigneter Silikatyp | Leicht dispergierbares Silikat | Hochmechanisch stabiles, hochabsorbierendes Silikat | Leicht dispergierbares Silikat |
Empfohlene Zugabemenge | Niedrige Zugabemenge, normalerweise <1% | Zugabemenge flexibel angepasst an den Flüssigkeitsgehalt des Systems | Hohe Zugabemenge, bis zu 5%, insbesondere für Systeme mit langfristigen Antiverklumpungsanforderungen |
Anforderungen an den Mischprozess | Hochintensive Vollvermischung | Schonendes Rühren mit geringer Scherung | Moderate Mischung: Gewährleistet die vollständige Dispersion von Kieselsäure, ohne die Struktur weicher Pulverpartikel zu beschädigen |
In tatsächlichen industriellen Anwendungen weisen Pulverprodukte oft mehrere Eigenschaften gleichzeitig auf. Beispielsweise können Obst- und Gemüsepulver sowohl harte und trockene, nicht hygroskopische Bestandteile wie Stärke als auch hygroskopische Bestandteile wie Zucker enthalten; Milchpulver kann sowohl hygroskopische Laktose als auch fettbasierte weiche Bestandteile enthalten. Das Fließverhalten dieser Verbundsysteme integriert die Eigenschaften der Einzelsysteme in der obigen Tabelle auf komplexe Weise, sodass gezielte Lösungen entwickelt werden müssen.
Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. kann exklusive Produktauswahl- und Prozessoptimierungsdienste gemäß den spezifischen Materialeigenschaften und Anwendungsszenarien des Kunden anbieten und bietet umfassende technische Unterstützung und Anwendungsberatung für die Produktreihen ZLSIL™, ZLCSIL™ und ZQSIL™ für Kunden während des gesamten Prozesses.
Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. Specialized in R&D, production and sales of high-end food & pharmaceutical excipient grade silica. Core brands: ZLSIL™, ZLXIDE™, ZLCSIL™. Products meet global food-grade standards, providing compliant high-performance formulation solutions for global food & pharma enterprises.
Vollprozess technische Unterstützung & maßgeschneiderte Dienstleistungen verfügbar von unserem Hauptsitz und Produktionsstandort.
Kontakt: Tel +86 53188737397 | Email Levin@silicaplant.com
Technische Dokumente & Anwendungssupport auf Anfrage verfügbar.
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