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Mejore la fluidez del polvo con las soluciones de sílice especializadas ZLSIL™ y ZLCSIL™
Creado 05.17
Manual Técnico para Sílice Especial ZLSIL™ y Sílice Pirogénica ZLCSIL™ como Coadyuvantes de Flujo y Agentes Antiaglomerantes
Las materias primas en polvo se utilizan de forma generalizada y cada vez más en las industrias alimentaria, farmacéutica, química, de materiales de construcción y en muchas otras. Una excelente fluidez es un requisito fundamental para el manejo preciso de polvos, la descarga suave de silos y la dosificación precisa. Sin embargo, muchos polvos son inherentemente muy cohesivos y difíciles de procesar. Mientras tanto, afectados por la humedad ambiental, la temperatura, la presión y otras condiciones climáticas u operativas, la mayoría de los polvos son extremadamente propensos a apelmazarse durante el almacenamiento o el transporte, lo que aumenta aún más la dificultad de aplicación.
Para abordar estos puntos débiles de la industria, la sílice especial ZLSIL™ y la serie de sílice pirogénica ZLCSIL™ desarrolladas por Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. sirven como coadyuvantes de flujo y agentes antiaglomerantes de alta eficiencia. Se dirigen y resuelven los problemas de baja fluidez y fácil apelmazamiento en diversos sistemas de polvo, proporcionando una garantía estable de proceso completo para el procesamiento, almacenamiento y transporte de productos en polvo.
Para caracterizar con precisión el comportamiento de flujo de los polvos, se utilizan comúnmente en la industria una variedad de métodos de prueba estandarizados, con los métodos principales como se indica a continuación:
Este es un método clásico para caracterizar la fluidez del polvo. El polvo se deja caer uniformemente a través de un tamiz sobre la parte superior de un cilindro metálico, y el polvo forma naturalmente un cono. Cuando las partículas caen sobre el cono, se adhieren o ruedan según el ángulo del cono y la viscosidad de las partículas. A medida que las partículas continúan acumulándose, el cono se vuelve más pronunciado hasta que la gravedad excede la cohesión entre partículas, formando finalmente un cono con una altura y pendiente fijas. Midiendo la altura del cono o el ángulo de la pendiente, se puede obtener el "ángulo de reposo" del polvo. Cuanto mayor sea la viscosidad de las partículas, mayor será el valor del ángulo de reposo y peor será la fluidez del polvo. Por el contrario, un ángulo de reposo más bajo representa una mejor fluidez del polvo.
Este es un método de prueba rápida para la fluidez del polvo, que se puede completar utilizando una serie de embudos de vidrio con diferentes diámetros de salida. Hay dos modos de prueba principales: uno es determinar si el polvo puede fluir del embudo del calibre correspondiente sin interrupción, para juzgar el grado de fluidez; el otro es medir el tiempo total para que el polvo pase a través del embudo con un diámetro de salida específico. Cuanto menor sea el tiempo, mejor será la fluidez del polvo.
Este es un método de prueba más sensible y fácil de operar. Durante la prueba, el polvo se vierte en una pila de tamices (con el tamiz de mayor abertura en la parte superior), y la pila de tamices se oscila durante un período de tiempo fijo. El polvo se asentará en los tamices inferiores según sus propias características de flujo. Si el polvo tiene una cohesión extremadamente fuerte, la mayor parte del material permanecerá en el tamiz superior. Cuanto mejor sea la fluidez del polvo, mayor será la cantidad de material que atraviesa el tamiz y se asienta, y mayor será la proporción de material que finalmente cae en el recipiente colector. Después de la oscilación, se pesa la masa de residuos en cada capa del tamiz, se multiplica la masa de cada capa por el coeficiente del tamiz correspondiente y se suma, y el resultado final es el valor de medición cuantitativa de la fluidez del polvo.
Este método tiene un procedimiento de prueba más sofisticado, y los datos de prueba se pueden utilizar para calcular con precisión el tamaño de diseño del silo para garantizar una descarga suave del polvo. Según la teoría clásica de Jenike, la relación ffc de la tensión de consolidación a la resistencia del material a granel se define como la fluidez del polvo. La celda de corte anular propuesta por Schultze también se utiliza ampliamente en la industria como una solución optimizada de la celda de corte clásica para mejorar aún más la precisión de la prueba.
Según la investigación de académicos como Zimmermann, la prueba de resistencia a la tracción es el método central para cuantificar la cohesión del polvo en un estado de baja densidad. Durante la prueba, una sonda con una fina capa de vaselina entra en contacto con la superficie plana del polvo y se levanta a una velocidad constante. Un probador de resistencia a la tracción de alta sensibilidad registra la fuerza necesaria para separar la capa superior del polvo de la capa inferior. Cuanto menor sea el valor de la fuerza, menor será la cohesión del polvo y mejor será la fluidez.3 Mecanismo de acción de los coadyuvantes de flujo
Todas las partículas de polvo se adhieren entre sí a través de fuerzas de van der Waals. Para partículas ultrafinas, el efecto de las fuerzas de van der Waals es mucho mayor que la gravedad que promueve la separación de partículas y el flujo de polvo, que es la razón principal de la generalmente mala fluidez de los polvos finos.
Los coadyuvantes de flujo son en sí mismos materiales en polvo con un tamaño de partícula extremadamente fino, que pueden recubrirse uniformemente en la superficie de las partículas del polvo huésped para aumentar la rugosidad superficial de las partículas, y el aumento de la rugosidad superficial puede reducir significativamente la fuerza de atracción entre dos partículas de polvo. La sílice especial ZLSIL™ y la sílice pirogénica ZLCSIL™ pueden ajustarse y cubrir perfectamente la superficie de las partículas del polvo huésped, aislar eficazmente la fuerza de interacción entre las partículas y reducir en gran medida la atracción interparticular, que es la ventaja principal de estos productos como coadyuvantes de flujo y agentes antiaglomerantes de alta eficiencia.
En este manual, "aglomeración" se refiere específicamente al fenómeno en el que la fluidez del polvo continúa disminuyendo con el tiempo debido al almacenamiento a largo plazo, e incluso forma un bloque consolidado en general en casos extremos. El correspondiente "agente antiaglomerante" se refiere a un producto de ayuda al flujo que puede mantener continuamente una buena fluidez del polvo durante el almacenamiento a largo plazo.
Para lograr el mejor efecto de mejora del flujo a un bajo nivel de adición, el auxiliar de flujo debe dispersarse finamente en la superficie del polvo huésped. La sílice especial ZLSIL™ y la sílice pirogénica ZLCSIL™ pueden lograr fácilmente esta fina dispersión a través de un simple proceso de mezcla, y son compatibles con equipos de mezcla que incluyen mezcladores de cizallamiento de arado, mezcladores de paletas o mezcladores de cinta.
Los diferentes modelos de productos ZLSIL™ y ZLCSIL™ tienen características de dispersión diferenciadas. El equipo del profesor Zimmermann de la Universidad de Würzburg ha realizado una investigación en profundidad sobre este efecto. En el experimento, se utilizó almidón de maíz como matriz modelo, y se mezclaron diferentes modelos de productos ZLSIL™ y ZLCSIL™, así como el fosfato tricálcico (TCP) estándar de la industria como ayuda de flujo, con almidón de maíz durante diferentes tiempos de mezcla utilizando una mezcladora Turbula®. Finalmente, la fluidez del sistema se evaluó mediante una prueba de resistencia a la tracción.
Los resultados experimentales mostraron que después de una mezcla de corta duración, todos los coadyuvantes de fluidez probados podían mejorar significativamente la fluidez del almidón de maíz, entre los cuales los productos hidrofóbicos como ZLSIL™ D 17 tuvieron un efecto de mejora particularmente sobresaliente. Sin embargo, cuando el tiempo de mezcla fue demasiado largo, la fluidez del sistema disminuyó nuevamente. La razón principal es que el coadyuvante de fluidez se dispersó en exceso en la superficie del almidón de maíz, lo que resultó en una menor rugosidad de la superficie de las partículas y la pérdida del efecto de modificación de la fluidez.
La razón principal de la pobre fluidez de los polvos húmedos es que la película líquida (el líquido puede ser agua, solución acuosa o aceite) existente en la superficie de las partículas de polvo une las partículas. Los auxiliares de flujo pueden mejorar la fluidez absorbiendo la película líquida en la superficie de las partículas.
Para lograr una absorción eficiente de líquidos, los coadyuvantes de flujo deben tener una alta porosidad y ser capaces de absorber el líquido en la estructura porosa mediante acción capilar, lo cual es una de las razones principales por las que la sílice especial ZLSIL™ se ha convertido en un excelente coadyuvante de flujo para sistemas de polvo húmedo con sus características de alta porosidad. Sin embargo, las condiciones de mezclado afectarán directamente el rendimiento del coadyuvante: si los aglomerados de sílice se despolimerizan en exceso hasta el nivel submicrométrico, la estructura porosa se destruirá y la capacidad de absorción se reducirá considerablemente. En otras palabras, la dispersión fina que puede mejorar la eficiencia del coadyuvante en sistemas de polvo seco, en cambio, reducirá la eficiencia del coadyuvante en sistemas de polvo húmedo.
Por lo tanto, para sistemas de polvo húmedo, los productos de sílice con alta porosidad y mayor estabilidad mecánica son más adecuados. Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. ha desarrollado una variedad de productos de sílice especial ZLSIL™ y sílice pirogénica ZLCSIL™ diferenciados para este escenario, que pueden satisfacer con precisión las necesidades de modificación del flujo de diferentes polvos base.
Un experimento controlado utilizando una mezcla de cloruro de sodio húmedo como polvo huésped demostró que el sistema de sal húmeda en sí mismo tenía una fluidez extremadamente pobre, con un grado de fluidez de 7 medido por el método del embudo. Después de agregar un 0,6% de ZLSIL™ 22 S o ZLSIL™ 50 S, la fluidez del sistema pudo aumentar a un grado de fluidez de 2 en 1 minuto de mezclado. Sin embargo, con la extensión del tiempo de mezclado, la sílice se dispersó en exceso, la porosidad se redujo y la fluidez del sistema se deterioró nuevamente. Dependiendo de la intensidad del mezclado, el efecto de sobre-mezclado de ZLSIL™ 22 S podía ocurrir en pocos minutos, mientras que ZLSIL™ 50 S podía mantener una alta eficiencia durante mucho tiempo sin fallos de rendimiento debido a la extensión del tiempo de mezclado. Al mismo tiempo, el experimento confirmó que reducir la fuerza de cizallamiento y disminuir la velocidad e intensidad del mezclado podía extender significativamente el tiempo de acción efectivo de ZLSIL™ 22 S.
Los líquidos que causan la pegajosidad del polvo húmedo se pueden dividir en categorías a base de agua y a base de aceite. Para los sistemas de líquidos a base de agua, además de mejorar la fluidez absorbiendo el líquido, la sílice hidrofóbica también se puede utilizar para una modificación eficiente, que ha demostrado ser un auxiliar de flujo especial de alta eficiencia para sustancias higroscópicas. La sílice hidrofóbica no absorbe la película de agua, sino que se suspende sobre la película de agua para mantener una distancia estable entre las partículas y puede lograr una mejora de la fluidez con una menor cantidad de adición, con su eficiencia no limitada por su propia capacidad de absorción.
Cabe señalar que la sílice hidrofóbica también es sensible a la mezcla excesiva. Si se aplica una fuerza de cizallamiento excesiva, el producto puede humedecerse con agua y perder su efecto de modificación. Cuanto mayor sea la hidrofobicidad de la sílice, menor será la sensibilidad a la mezcla excesiva. El experimento controlado mostró que para el sistema de cloruro de sodio húmedo, después de agregar 0.4% de ZLCSIL™ D 10 y ZLCSIL™ D 17 hidrofóbicos, la fluidez de la sal podría mejorarse inmediatamente. Sin embargo, después de una mezcla prolongada, la fluidez del sistema se deterioró gradualmente debido a la humectación de la sílice causada por la energía de cizallamiento excesiva. Entre ellos, el efecto de mezcla excesiva de ZLCSIL™ D 17 podría ocurrir en 3 minutos, mientras que ZLCSIL™ D 10 tenía una mayor capacidad anti-mezcla excesiva y podía mezclarse hasta por 12 minutos a la velocidad de cizallamiento dada sin ninguna disminución en el efecto de modificación de flujo.
El comportamiento de despolimerización de los coadyuvantes de fluidez durante la mezcla con el polvo huésped produce efectos completamente diferentes en sistemas de polvo seco y húmedo:
1. En sistemas de polvo seco y duro, la despolimerización de los coadyuvantes de fluidez ayuda a cubrir de manera más completa la superficie de las partículas de polvo huésped, mejorando así la eficiencia de modificación de la sílice como coadyuvante de fluidez.
2. En sistemas de polvo húmedo, la despolimerización excesiva de los coadyuvantes de fluidez destruirá la estructura porosa de la sílice, reducirá la porosidad y, por lo tanto, debilitará la eficiencia de modificación de la sílice como coadyuvante de fluidez.
Basándonos en esto, se deben seleccionar procesos de mezcla diferenciados y modelos de sílice adecuados para diferentes tipos de sistemas de polvo.
Los polvos de materiales blandos como grasas, ceras y emulsionantes son extremadamente difíciles de manipular durante el manejo y el transporte. Especialmente durante el almacenamiento a largo plazo o el transporte a larga distancia, este tipo de polvo es muy propenso a apelmazarse severamente; cuando el producto se expone a entornos de fluctuación de temperatura (como en escenarios de transporte marítimo), el problema de apelmazamiento se agrava aún más. Por lo tanto, los coadyuvantes antiapelmazantes eficientes son esenciales para el transporte a larga distancia y el almacenamiento a largo plazo de este tipo de polvo.
Los polvos blandos o termoplásticos sufrirán deformación de partículas y luego se adherirán entre sí cuando aumente la temperatura o bajo presión. La sílice se puede recubrir uniformemente en la superficie de las partículas de polvo blando para formar una capa de aislamiento y evitar que las partículas se adhieran entre sí. Sin embargo, en comparación con los sistemas de polvo duro, para lograr un efecto antiaglomerante ideal, especialmente un efecto antiaglomerante a largo plazo, se requiere una mayor cantidad de sílice: generalmente la cantidad de sílice en los sistemas de polvo blando puede ser de hasta el 5%, mientras que los sistemas de polvo duro generalmente solo necesitan una cantidad inferior al 1% para satisfacer la demanda.
La razón principal es que parte del agente antiaglomerante puede penetrar en la superficie de las partículas de polvo suave durante el almacenamiento, lo que resulta en una reducción de la eficiencia de aislamiento superficial. Solo agregando una cantidad suficiente de ayuda antiaglomerante podemos garantizar que suficiente ayuda permanezca en la superficie de las partículas de polvo suave de manera continua para mantener los efectos a largo plazo de antiaglomeración y modificación del flujo.
El proceso de mezcla juega un papel decisivo en el rendimiento final de los aditivos de flujo, y el equipo de mezcla y los parámetros del proceso deben coincidir con precisión según las características de diferentes sistemas de polvo:
3. Para polvos duros secos, la intensidad de mezcla debe ser lo suficientemente alta para despolimerizar completamente los aglomerados de sílice, lograr una cobertura uniforme del aditivo en la superficie del polvo base, y una mezcla completa puede obtener un mejor efecto de modificación del flujo.
4. Para sistemas de polvo húmedo, una intensidad de mezcla excesiva destruirá parcialmente la estructura de poros de la sílice, reduciendo así su rendimiento antiaglomerante y de modificación del flujo, por lo que se requiere un proceso de mezcla suave.
5. Para sistemas de polvo blando, la intensidad de mezcla necesita ajustarse según las características de ablandamiento y la resistencia de las partículas del polvo, para evitar dañar la estructura de las partículas del polvo blando por una fuerza de corte excesiva, mientras se asegura una dispersión uniforme de la sílice.
Los escenarios aplicables de diferentes equipos de mezcla son los siguientes:
• Mezclador de tambor: puede proporcionar un efecto de mezcla extremadamente suave, especialmente adecuado para el procesamiento de polvos ultra suaves.
• Mezclador cónico (como el mezclador Nauta): también tiene características de mezcla suaves, con un daño mínimo a las partículas de polvo, pero requiere un tiempo de mezcla más largo.
1. Mezclador de palas: el proceso de mezcla es suave y, al mismo tiempo, puede lograr una excelente uniformidad de mezcla a gran escala. Es una opción ideal para polvos suaves y polvos higroscópicos, y puede retener completamente la estructura de poros de la sílice.
2. Mezclador de corte de arado: mayor energía de mezcla, pero aún lo suficientemente suave, no presionará el agente de flujo en la superficie de los polvos suaves, adecuado para muchos tipos diferentes de polvos, con un tiempo de mezcla requerido más corto, que se puede ajustar de manera flexible según las necesidades reales: el tiempo de mezcla se puede acortar para polvos higroscópicos y extenderse adecuadamente para polvos duros secos.
3. Mezclador de cinta: mayor intensidad de mezcla y gran fuerza de cizallamiento, especialmente adecuado para procesar polvos secos duros.
Para la modificación del flujo de productos secados por aspersión, hay un esquema especial de optimización de procesos: separar la sílice de la suspensión de materia prima y agregarla directamente al secador por aspersión puede hacer que la sílice se disperse uniformemente en la superficie de nuevas partículas bajo la acción del flujo de aire caliente, y evitar completamente el daño al polvo secado por aspersión causado por el estrés mecánico, lo que es un esquema eficiente para la modificación del flujo de tales productos.
Dimensión central | Polvos duros secos | Polvos duros húmedos | Polvos Blandos |
Tipo de Sílice Adecuado | Sílice de fácil dispersión | Sílice de alta estabilidad mecánica y alta absorbencia | Sílice de fácil dispersión |
Nivel de adición recomendado | Nivel de adición bajo, generalmente ＜1% | Nivel de adición ajustado flexiblemente según el contenido de líquido del sistema | Nivel de adición alto, hasta 5% especialmente para sistemas con requisitos de antiaglomeración a largo plazo |
Requisitos del proceso de mezcla | Mezcla completa de alta intensidad | Agitación suave de bajo cizallamiento | Mezcla moderada: asegurar la dispersión completa de la sílice sin dañar la estructura de las partículas de polvo blando |
En aplicaciones industriales reales, los productos en polvo a menudo presentan múltiples características al mismo tiempo. Por ejemplo, los polvos de frutas y verduras pueden contener componentes duros y secos no higroscópicos como el almidón, y componentes higroscópicos como los azúcares; la leche en polvo puede contener lactosa higroscópica y componentes blandos a base de grasa. El comportamiento de flujo de estos sistemas compuestos integrará las características de los sistemas individuales de la tabla anterior de una manera compleja, por lo que se necesitan diseñar soluciones específicas.
Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. puede proporcionar servicios exclusivos de selección de productos y optimización de procesos de acuerdo con las características específicas del material y los escenarios de aplicación del cliente, y brindar soporte técnico completo y orientación de aplicaciones para las series de productos ZLSIL™, ZLCSIL™, ZQSIL™ para los clientes durante todo el proceso.
Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. Especializada en I+D, producción y venta de sílice de alta gama de grado alimentario y farmacéutico excipiente. Marcas principales: ZLSIL™, ZLXIDE™, ZLCSIL™. Los productos cumplen con los estándares alimentarios globales, proporcionando soluciones de formulación de alto rendimiento y conformes para empresas alimentarias y farmacéuticas globales.
Soporte técnico de proceso completo y servicios personalizados disponibles desde nuestra sede central y base de producción.
Contacto: Tel +86 53188737397 | Email Levin@silicaplant.com
Documentación técnica y soporte de aplicación disponibles bajo petición.
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