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Améliorez la coulabilité des poudres avec les solutions de silice de spécialité ZLSIL™ et ZLCSIL™
Créé le 05.17
Manuel Technique pour les Silices Spéciales ZLSIL™ et les Silices Fumées ZLCSIL™ comme Agents d'écoulement et Anti-agglomérants
Les matières premières en poudre sont largement et de plus en plus utilisées dans les industries alimentaire, pharmaceutique, chimique, des matériaux de construction et de nombreuses autres. Une excellente coulabilité est une condition préalable essentielle pour une manipulation précise des poudres, une décharge de silo fluide et un dosage précis. Cependant, de nombreuses poudres sont intrinsèquement très cohésives et difficiles à traiter. Par ailleurs, affectées par l'humidité ambiante, la température, la pression et d'autres conditions climatiques ou opérationnelles, la plupart des poudres sont extrêmement sujettes au mottage pendant le stockage ou le transport, ce qui augmente encore la difficulté d'application.
Pour répondre à ces problèmes industriels, les silices spéciales ZLSIL™ et les silices fumées ZLCSIL™ développées par Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. servent d'agents d'écoulement et d'agents anti-agglomérants à haute efficacité. Elles ciblent et résolvent les problèmes de faible coulabilité et d'agglomération facile dans divers systèmes de poudres, offrant une garantie stable sur l'ensemble du processus pour le traitement, le stockage et le transport des produits en poudre.
Pour caractériser avec précision le comportement d'écoulement des poudres, une variété de méthodes de test standardisées sont couramment utilisées dans l'industrie, les méthodes principales étant les suivantes :
Ceci est une méthode classique pour caractériser l'écoulement des poudres. La poudre est uniformément versée à travers un tamis sur le dessus d'un cylindre métallique, et la poudre forme naturellement un cône. Lorsque les particules tombent sur le cône, elles adhèrent ou roulent en fonction de l'angle du cône et de la viscosité des particules. Au fur et à mesure que les particules s'accumulent, le cône devient plus raide jusqu'à ce que la gravité dépasse la cohésion inter-particulaire, formant finalement un cône de hauteur et de pente fixes. En mesurant la hauteur du cône ou l'angle de la pente, l'"angle de repos" de la poudre peut être obtenu. Plus la viscosité des particules est forte, plus la valeur de l'angle de repos est élevée, et plus l'écoulement de la poudre est mauvais. Inversement, un angle de repos plus faible représente un meilleur écoulement de la poudre.
Ceci est une méthode de test rapide pour la fluidité des poudres, qui peut être réalisée à l'aide d'une série d'entonnoirs en verre de différents diamètres de sortie. Il existe deux modes de test principaux : l'un consiste à déterminer si la poudre peut s'écouler de l'entonnoir du calibre correspondant sans interruption, afin de juger du grade de fluidité ; l'autre consiste à mesurer le temps total nécessaire à la poudre pour traverser l'entonnoir avec un diamètre de sortie spécifique. Plus le temps est court, meilleure est la fluidité de la poudre.
Ceci est une méthode de test plus sensible et facile à utiliser. Pendant le test, la poudre est versée dans un tamisage (avec le tamis à plus grande ouverture en haut), et le tamisage est oscillé pendant une période de temps fixe. La poudre se déposera sur les tamis inférieurs en fonction de ses caractéristiques d'écoulement. Si la poudre a une cohésion extrêmement forte, la majeure partie du matériau restera sur le tamis supérieur. Meilleure est la fluidité de la poudre, plus la quantité de matériau qui passe à travers le tamis et se dépose est importante, et plus la proportion de matériau qui tombe finalement dans le plateau collecteur est élevée. Après oscillation, la masse des résidus sur chaque couche de tamis est pesée, la masse de chaque couche est multipliée par le coefficient du tamis correspondant et additionnée, et le résultat final est la valeur de mesure quantitative de la fluidité de la poudre.
Cette méthode a une procédure de test plus sophistiquée, et les données de test peuvent être utilisées pour calculer avec précision la taille de conception du silo afin d'assurer une décharge de poudre fluide. Selon la théorie classique de Jenike, le rapport ffc de la contrainte de consolidation à la résistance du matériau en vrac est défini comme la fluidité de la poudre. La cellule de cisaillement annulaire proposée par Schultze est également largement utilisée dans l'industrie comme une solution optimisée de la cellule de cisaillement classique pour améliorer encore la précision des tests.
Selon les recherches de chercheurs tels que Zimmermann, le test de résistance à la traction est la méthode principale pour quantifier la cohésion de la poudre dans un état de faible densité. Pendant le test, une sonde recouverte d'une fine couche de vaseline entre en contact avec la surface plane de la poudre et est soulevée à une vitesse constante. Un testeur de résistance à la traction à haute sensibilité enregistre la force nécessaire pour séparer la couche supérieure de poudre de la couche inférieure. Plus la valeur de force est faible, plus la cohésion de la poudre est faible et meilleure est sa fluidité.3 Mécanisme d'Action des Agents d'écoulement
Toutes les particules de poudre adhèrent les unes aux autres par des forces de van der Waals. Pour les particules ultrafines, l'effet des forces de van der Waals est bien plus important que la gravité qui favorise la séparation des particules et l'écoulement de la poudre, ce qui est la raison principale de la faible fluidité généralement observée des poudres fines.
Les aides à l'écoulement sont elles-mêmes des matériaux en poudre de granulométrie extrêmement fine, qui peuvent être uniformément revêtues à la surface des particules de poudre hôte pour augmenter la rugosité de surface des particules, et l'augmentation de la rugosité de surface peut réduire considérablement la force d'attraction entre deux particules de poudre. La silice spéciale ZLSIL™ et la silice fumée ZLCSIL™ peuvent s'adapter et couvrir parfaitement la surface des particules de poudre hôte, isoler efficacement la force d'interaction entre les particules et réduire considérablement l'attraction inter-particules, ce qui constitue l'avantage principal de ces produits en tant qu'aides à l'écoulement et agents anti-agglomérants à haute efficacité.
Dans ce manuel, "agglomération" fait spécifiquement référence au phénomène selon lequel la fluidité de la poudre continue de diminuer au fil du temps en raison d'un stockage prolongé, et forme même un bloc consolidé dans des cas extrêmes. L'"agent anti-agglomérant" correspondant fait référence à un produit d'aide à l'écoulement qui peut maintenir en continu une bonne fluidité de la poudre pendant un stockage prolongé.
Pour obtenir le meilleur effet d'amélioration du flux à faible niveau d'ajout, l'agent d'écoulement doit être finement dispersé à la surface de la poudre hôte. La silice spéciale ZLSIL™ et la silice fumée ZLCSIL™ permettent d'obtenir facilement cette dispersion fine grâce à un simple processus de mélange, et sont compatibles avec les équipements de mélange, y compris les mélangeurs à socs, les mélangeurs à palettes ou les mélangeurs à ruban.
Les différents modèles de produits ZLSIL™ et ZLCSIL™ présentent des caractéristiques de dispersion différenciées. L'équipe du professeur Zimmermann de l'Université de Wurtzbourg a mené des recherches approfondies sur cet effet. Dans l'expérience, de l'amidon de maïs a été utilisé comme matrice modèle, et différents modèles de produits ZLSIL™ et ZLCSIL™, ainsi que le phosphate tricalcique (TCP) standard de l'industrie utilisé comme aide à l'écoulement, ont été mélangés à de l'amidon de maïs pendant différentes durées de mélange à l'aide d'un mélangeur Turbula®. Enfin, la coulabilité du système a été évaluée par un test de résistance à la traction.
Les résultats expérimentaux ont montré qu'après un mélange de courte durée, tous les agents d'écoulement testés pouvaient améliorer significativement la fluidité de l'amidon de maïs, parmi lesquels les produits hydrophobes tels que ZLSIL™ D 17 avaient un effet d'amélioration particulièrement remarquable. Cependant, lorsque le temps de mélange était trop long, la fluidité du système diminuait à nouveau. La raison principale est que l'agent d'écoulement était sur-dispersé à la surface de l'amidon de maïs, entraînant une réduction de la rugosité de la surface des particules et une perte de l'effet de modification de l'écoulement.
La raison principale de la faible coulabilité des poudres humides est que le film liquide (le liquide peut être de l'eau, une solution aqueuse ou de l'huile) présent à la surface des particules de poudre lie les particules entre elles. Les agents d'écoulement peuvent améliorer la coulabilité en absorbant le film liquide à la surface des particules.
Pour obtenir une absorption efficace des liquides, les agents d'écoulement doivent avoir une porosité élevée et pouvoir absorber le liquide dans leur structure poreuse par capillarité, ce qui est l'une des raisons fondamentales pour lesquelles la silice spéciale ZLSIL™ est devenue un excellent agent d'écoulement pour les systèmes de poudres humides, grâce à ses caractéristiques de haute porosité. Cependant, les conditions de mélange affecteront directement les performances de l'agent : si les agglomérats de silice sont sur-dépolymérisés jusqu'au niveau submicronique, la structure poreuse sera détruite et la capacité d'absorption sera considérablement réduite. En d'autres termes, la dispersion fine qui peut améliorer l'efficacité de l'agent dans les systèmes de poudres sèches réduira en fait l'efficacité de l'agent dans les systèmes de poudres humides.
Par conséquent, pour les systèmes de poudres humides, les produits de silice à haute porosité et à plus forte stabilité mécanique sont plus adaptés. Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. a développé une variété de produits de silice de spécialité ZLSIL™ et de silice fumée ZLCSIL™ différenciés pour ce scénario, qui peuvent répondre avec précision aux besoins de modification de l'écoulement de différentes poudres de base.
Une expérience contrôlée utilisant un mélange d'humidité de chlorure de sodium comme poudre hôte a montré que le système de sel humide lui-même avait une fluidité extrêmement médiocre, avec un indice de fluidité de 7 mesuré par la méthode de l'entonnoir. Après ajout de 0,6 % de ZLSIL™ 22 S ou de ZLSIL™ 50 S, la fluidité du système pouvait être augmentée à un indice de fluidité de 2 en 1 minute de mélange. Cependant, avec l'allongement du temps de mélange, la silice était sur-dispersée, la porosité était réduite et la fluidité du système se détériorait à nouveau. Selon l'intensité du mélange, l'effet de sur-mélange du ZLSIL™ 22 S pouvait se produire en quelques minutes, tandis que le ZLSIL™ 50 S pouvait maintenir une haute efficacité pendant longtemps sans défaillance de performance due à un temps de mélange prolongé. Dans le même temps, l'expérience a confirmé que la réduction de la force de cisaillement et la diminution de la vitesse et de l'intensité du mélange pouvaient prolonger considérablement le temps d'action efficace du ZLSIL™ 22 S.
Les liquides qui provoquent le mottage des poudres peuvent être divisés en catégories à base d'eau et à base d'huile. Pour les systèmes de liquides à base d'eau, en plus d'améliorer la fluidité en absorbant le liquide, la silice hydrophobe peut également être utilisée pour une modification efficace, qui s'est avérée être un agent d'écoulement spécial à haute efficacité pour les substances hygroscopiques. La silice hydrophobe n'absorbe pas le film d'eau, mais flotte sur le film d'eau pour maintenir une distance stable entre les particules, et peut améliorer la fluidité à un niveau d'ajout plus faible, son efficacité n'étant pas limitée par sa propre capacité d'absorption.
Il convient de noter que la silice hydrophobe est également sensible au sur-mélange. Si une force de cisaillement excessive est appliquée, le produit peut être mouillé par l'eau et perdre son effet de modification. Plus l'hydrophobicité de la silice est forte, plus la sensibilité au sur-mélange est faible. L'expérience contrôlée a montré que pour le système de chlorure de sodium humide, après l'ajout de 0,4 % de ZLCSIL™ D 10 et ZLCSIL™ D 17 hydrophobes, la fluidité du sel pouvait être améliorée immédiatement. Cependant, après un mélange prolongé, la fluidité du système s'est progressivement détériorée en raison du mouillage de la silice causé par une énergie de cisaillement excessive. Parmi eux, l'effet de sur-mélange de ZLCSIL™ D 17 pouvait se produire en 3 minutes, tandis que ZLCSIL™ D 10 avait une plus grande capacité anti-sur-mélange et pouvait être mélangé jusqu'à 12 minutes au taux de cisaillement donné sans aucune diminution de l'effet de modification de la fluidité.
Le comportement de dépolymérisation des aides à l'écoulement lors du mélange avec la poudre hôte produit des effets complètement différents dans les systèmes de poudres sèches et humides :
1. Dans les systèmes de poudre sèche et dure, la dépolymérisation des agents d'écoulement aide à couvrir plus complètement la surface des particules de poudre hôte, améliorant ainsi l'efficacité de modification de la silice en tant qu'agent d'écoulement.
2. Dans les systèmes de poudre humide, une dépolymérisation excessive des agents d'écoulement détruira la structure des pores de la silice, réduira la porosité, et affaiblira ensuite l'efficacité de modification de la silice en tant qu'agent d'écoulement.
Sur cette base, des processus de mélange différenciés et des modèles de silice appropriés doivent être sélectionnés pour différents types de systèmes de poudre.
Les poudres de matériaux tendres tels que les graisses, les cires et les émulsifiants sont extrêmement difficiles à manipuler lors de leur manutention et de leur transport. Surtout lors d'un stockage à long terme ou d'un transport longue distance, ce type de poudre est très sujet à un mottage sévère ; lorsque le produit est exposé à des environnements à fluctuations de température (comme dans le cas du transport maritime), le problème de mottage est encore aggravé. Par conséquent, des agents anti-mottage efficaces sont essentiels pour le transport longue distance et le stockage à long terme de ce type de poudre.
Les poudres molles ou thermoplastiques subissent une déformation des particules puis adhèrent les unes aux autres lorsque la température augmente ou sous pression. La silice peut être uniformément déposée à la surface des particules de poudre molle pour former une couche d'isolation et empêcher les particules d'adhérer les unes aux autres. Cependant, par rapport aux systèmes de poudres dures, pour obtenir un effet anti-agglomérant idéal, surtout un effet anti-agglomérant à long terme, une quantité de silice plus élevée est nécessaire : généralement, la quantité de silice dans les systèmes de poudres molles peut atteindre 5 %, tandis que les systèmes de poudres dures ne nécessitent généralement qu'une quantité inférieure à 1 % pour répondre à la demande.
La raison principale est qu'une partie de l'agent anti-agglomérant peut pénétrer à la surface des particules de poudre tendre pendant le stockage, ce qui entraîne une réduction de l'efficacité de l'isolation de surface. Ce n'est qu'en ajoutant une quantité suffisante d'aide anti-agglomérante que nous pouvons garantir qu'une quantité suffisante d'aide reste continuellement à la surface des particules de poudre tendre pour maintenir les effets anti-agglomérants et de modification de l'écoulement à long terme.
Le processus de mélange joue un rôle décisif dans les performances finales des aides à l'écoulement, et l'équipement de mélange ainsi que les paramètres du processus doivent être précisément adaptés aux caractéristiques des différents systèmes de poudres.
3. Pour les poudres dures et sèches, l'intensité du mélange doit être suffisamment élevée pour dépolymériser complètement les agglomérats de silice, obtenir une couverture uniforme de l'aide à la surface de la poudre hôte, et un mélange complet peut obtenir un meilleur effet de modification de l'écoulement.
4. Pour les systèmes de poudres humides, une intensité de mélange excessive détruira partiellement la structure poreuse de la silice, réduisant ainsi ses performances anti-agglomérantes et de modification de l'écoulement, un processus de mélange doux est donc requis.
5. Pour les systèmes de poudres molles, l'intensité du mélange doit être ajustée en fonction des caractéristiques d'adoucissement et de la résistance des particules de la poudre, afin d'éviter d'endommager la structure des particules de la poudre molle par une force de cisaillement excessive, tout en assurant une dispersion uniforme de la silice.
Les scénarios applicables de différents équipements de mélange sont les suivants :
• Mélangeur à tambour : peut fournir un effet de mélange extrêmement doux, particulièrement adapté au traitement des poudres ultra-douces.
• Mélangeur conique (tel que le mélangeur Nauta) : possède également des caractéristiques de mélange douces, avec un minimum de dommages aux particules de poudre, mais nécessite un temps de mélange plus long.
1. Mélangeur à palettes : le processus de mélange est doux, et en même temps peut atteindre une excellente uniformité de mélange à l'échelle macroscopique. C'est un choix idéal pour les poudres douces et les poudres hygroscopiques, et peut pleinement conserver la structure poreuse de la silice.
2. Mélangeur à charrue : énergie de mélange plus élevée, mais encore suffisamment douce, ne pressant pas l'agent d'écoulement à la surface des poudres douces, adaptée à de nombreux types de poudres différents, avec un temps de mélange requis plus court, qui peut être ajusté de manière flexible en fonction des besoins réels : le temps de mélange peut être raccourci pour les poudres hygroscopiques, et prolongé de manière appropriée pour les poudres dures sèches.
3. Mélangeur à ruban : intensité de mélange plus élevée et grande force de cisaillement, particulièrement adapté au traitement des poudres sèches dures.
Pour la modification du flux des produits séchés par pulvérisation, il existe un schéma d'optimisation de processus spécial : séparer la silice de la boue de matière première et l'ajouter directement dans le séchoir à pulvérisation peut permettre à la silice de se disperser uniformément à la surface des nouvelles particules sous l'action du flux d'air chaud, et éviter complètement les dommages au poudre séchée par pulvérisation causés par le stress mécanique, ce qui est un schéma efficace pour la modification du flux de tels produits.
Dimension principale | Poudres dures sèches | Poudres dures humides | Poudres Molles |
Type de silice approprié | Silice facile à disperser | Silice à haute stabilité mécanique et à haute capacité d'absorption | Silice facile à disperser |
Niveau d'addition recommandé | Niveau d'addition faible, généralement ＜1% | Niveau d'addition ajusté de manière flexible en fonction du contenu en liquide du système | Niveau d'addition élevé, jusqu'à 5% surtout pour les systèmes ayant des exigences anti-agglomération à long terme |
Exigences du processus de mélange | Mélange intensif complet | Mélange doux à faible cisaillement | Mélange modéré : assurer une dispersion complète de la silice sans endommager la structure des particules de poudre molles |
Dans les applications industrielles réelles, les produits en poudre présentent souvent plusieurs caractéristiques simultanément. Par exemple, les poudres de fruits et légumes peuvent contenir à la fois des composants durs et secs non hygroscopiques tels que l'amidon, et des composants hygroscopiques tels que les sucres ; le lait en poudre peut contenir à la fois du lactose hygroscopique et des composants mous à base de graisse. Le comportement d'écoulement de ces systèmes composites intégrera les caractéristiques des systèmes uniques du tableau ci-dessus d'une manière complexe, de sorte que des solutions ciblées doivent être conçues.
Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. peut fournir des services exclusifs de sélection de produits et d'optimisation de processus en fonction des caractéristiques spécifiques des matériaux et des scénarios d'application du client, et fournir un support technique complet et des conseils d'application pour les produits des séries ZLSIL™, ZLCSIL™, ZQSIL™ aux clients tout au long du processus.
Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. Spécialisée dans la R&D, la production et la vente de silice de haute qualité pour excipients alimentaires et pharmaceutiques. Marques principales : ZLSIL™, ZLXIDE™, ZLCSIL™. Les produits répondent aux normes mondiales de qualité alimentaire, offrant des solutions de formulation conformes et performantes pour les entreprises alimentaires et pharmaceutiques mondiales.
Support technique complet et services personnalisés disponibles depuis notre siège social et notre base de production.
Contact : Tél +86 53188737397 | E-mail Levin@silicaplant.com
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