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Migliora la scorrevolezza delle polveri con le soluzioni di silice speciali ZLSIL™ e ZLCSIL™
Creato il 05.17
Manuale Tecnico per Silice Speciale ZLSIL™ e Silice Fumed ZLCSIL™ come Ausili di Scorrimento e Agenti Antiagglomeranti
Le materie prime in polvere sono ampiamente e sempre più utilizzate nell'industria alimentare, farmaceutica, chimica, dei materiali da costruzione e in molti altri settori. Un'eccellente scorrevolezza è un prerequisito fondamentale per una manipolazione accurata delle polveri, uno scarico fluido dai silos e un dosaggio preciso. Tuttavia, molte polveri sono intrinsecamente molto coesive e difficili da lavorare. Nel frattempo, influenzate dall'umidità ambientale, dalla temperatura, dalla pressione e da altre condizioni climatiche o operative, la maggior parte delle polveri è estremamente incline all'agglomerazione durante lo stoccaggio o il trasporto, il che aumenta ulteriormente la difficoltà di applicazione.
Per affrontare questi punti critici del settore, la silice speciale ZLSIL™ e la serie di silice fumi ZLCSIL™ sviluppate da Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. fungono da ausiliari di flusso ad alta efficienza e agenti antiagglomeranti. Mirano a risolvere i problemi di scarsa fluidità e facile agglomerazione in vari sistemi in polvere, fornendo una garanzia stabile per l'intero processo per la lavorazione, lo stoccaggio e il trasporto di prodotti in polvere.
Per caratterizzare accuratamente il comportamento di flusso delle polveri, vengono comunemente utilizzati nell'industria una varietà di metodi di test standardizzati, con i metodi principali come segue:
Questo è un metodo classico per caratterizzare la scorrevolezza delle polveri. La polvere viene fatta cadere uniformemente attraverso un setaccio sulla parte superiore di un cilindro metallico, e la polvere forma naturalmente un cono. Quando le particelle cadono sul cono, aderiranno o rotoleranno in base all'angolo del cono e alla viscosità delle particelle. Man mano che le particelle continuano ad accumularsi, il cono diventa più ripido finché la gravità non supera la coesione interparticellare, formando infine un cono con altezza e pendenza fisse. Misurando l'altezza del cono o l'angolo della pendenza, si può ottenere l'"angolo di riposo" della polvere. Maggiore è la viscosità delle particelle, maggiore è il valore dell'angolo di riposo e peggiore è la scorrevolezza della polvere. Al contrario, un angolo di riposo inferiore rappresenta una migliore scorrevolezza della polvere.
Questo è un metodo di prova rapido per la scorrevolezza delle polveri, che può essere completato utilizzando una serie di imbuti di vetro con diversi diametri di uscita. Esistono due modalità di prova principali: una consiste nel determinare se la polvere può fluire dall'imbuto del calibro corrispondente senza interruzioni, in modo da giudicare il grado di scorrevolezza; l'altra consiste nel misurare il tempo totale impiegato dalla polvere per attraversare l'imbuto con un diametro di uscita specifico. Più breve è il tempo, migliore è la scorrevolezza della polvere.
Questo è un metodo di prova più sensibile e facile da usare. Durante la prova, la polvere viene versata in una serie di setacci (con il setaccio a maglia più larga in alto) e la serie di setacci viene oscillata per un periodo di tempo fisso. La polvere si depositerà sui setacci inferiori in base alle sue caratteristiche di flusso. Se la polvere ha una coesione estremamente forte, la maggior parte del materiale rimarrà sul setaccio superiore. Migliore è la scorrevolezza della polvere, maggiore è la quantità di materiale che passa attraverso il setaccio e si deposita, e maggiore è la proporzione di materiale che alla fine cade nel vassoio del setaccio. Dopo l'oscillazione, si pesa la massa dei residui su ogni strato del setaccio, si moltiplica la massa di ogni strato per il coefficiente del setaccio corrispondente e si sommano, e il risultato finale è il valore quantitativo della scorrevolezza della polvere.
Questo metodo ha una procedura di test più sofisticata e i dati di prova possono essere utilizzati per calcolare accuratamente la dimensione di progettazione del silo per garantire uno scarico uniforme della polvere. Secondo la teoria classica di Jenike, il rapporto ffc tra lo stress di consolidamento e la resistenza del materiale sfuso è definito come la fluidità della polvere. La cella di taglio anulare proposta da Schultze è ampiamente utilizzata nell'industria come soluzione ottimizzata della cella di taglio classica per migliorare ulteriormente l'accuratezza del test.
Secondo la ricerca di studiosi come Zimmermann, il test di resistenza alla trazione è il metodo principale per quantificare la coesione della polvere in uno stato di bassa densità. Durante il test, una sonda con un sottile strato di vaselina entra in contatto con la superficie piana della polvere e viene sollevata a velocità costante. Un tester di resistenza alla trazione ad alta sensibilità registra la forza necessaria per separare lo strato superiore di polvere dallo strato inferiore. Minore è il valore della forza, minore è la coesione della polvere e migliore è la scorrevolezza.3 Meccanismo d'azione degli ausili di scorrimento
Tutte le particelle di polvere aderiscono tra loro attraverso le forze di van der Waals. Per le particelle ultrafini, l'effetto delle forze di van der Waals è molto maggiore della gravità che promuove la separazione delle particelle e il flusso della polvere, che è la ragione principale della scarsa scorrevolezza delle polveri fini.
Gli ausili di scorrimento sono essi stessi materiali in polvere con una dimensione delle particelle estremamente fine, che possono essere rivestiti uniformemente sulla superficie delle particelle di polvere ospite per aumentarne la rugosità superficiale, e l'aumento della rugosità superficiale può ridurre significativamente la forza attrattiva tra due particelle di polvere. La silice speciale ZLSIL™ e la silice pirogenica ZLCSIL™ possono adattarsi e coprire perfettamente la superficie delle particelle di polvere ospite, isolando efficacemente la forza di interazione tra le particelle e riducendo notevolmente l'attrazione interparticellare, che è il vantaggio principale del loro utilizzo come ausili di scorrimento e agenti antiagglomeranti ad alta efficienza.
In questo manuale, "agglomerazione" si riferisce specificamente al fenomeno per cui la scorrevolezza della polvere continua a diminuire nel tempo a causa di un lungo periodo di stoccaggio, e in casi estremi forma persino un blocco consolidato complessivo. L'"agente antiagglomerante" corrispondente si riferisce a un prodotto ausiliario per il flusso che può mantenere continuamente una buona scorrevolezza della polvere durante il lungo periodo di stoccaggio.
Per ottenere il miglior effetto di miglioramento del flusso a un basso livello di aggiunta, l'agente di scorrimento deve essere finemente disperso sulla superficie della polvere ospite. La silice speciale ZLSIL™ e la silice fumata ZLCSIL™ possono ottenere facilmente questa fine dispersione attraverso un semplice processo di miscelazione e sono compatibili con le apparecchiature di miscelazione, inclusi miscelatori a vomere, miscelatori a palette o miscelatori a nastro.
Modelli diversi di prodotti ZLSIL™ e ZLCSIL™ presentano caratteristiche di dispersione differenziate. Il team del Professor Zimmermann dell'Università di Würzburg ha condotto ricerche approfondite su questo effetto. Nell'esperimento, l'amido di mais è stato utilizzato come matrice modello e diversi modelli di prodotti ZLSIL™ e ZLCSIL™, nonché il fosfato tricalcico (TCP) standard del settore, sono stati miscelati con amido di mais per diversi tempi di miscelazione utilizzando un miscelatore Turbula®. Infine, la scorrevolezza del sistema è stata valutata tramite test di resistenza alla trazione.
I risultati sperimentali hanno dimostrato che, dopo una breve miscelazione, tutti gli ausili di scorrevolezza testati potevano migliorare significativamente la scorrevolezza dell'amido di mais, tra cui prodotti idrofobici come ZLSIL™ D 17 hanno avuto un effetto di miglioramento particolarmente eccezionale. Tuttavia, quando il tempo di miscelazione era troppo lungo, la scorrevolezza del sistema diminuiva nuovamente. La ragione principale è che l'ausilio di scorrevolezza era sovra-disperso sulla superficie dell'amido di mais, con conseguente riduzione della rugosità superficiale delle particelle e perdita dell'effetto di modifica della scorrevolezza.
La ragione principale della scarsa scorrevolezza delle polveri umide è che il film liquido (il liquido può essere acqua, soluzione acquosa o olio) presente sulla superficie delle particelle di polvere lega le particelle tra loro. Gli agenti di scorrimento possono migliorare la scorrevolezza assorbendo il film liquido sulla superficie delle particelle.
Per ottenere un efficiente assorbimento dei liquidi, gli agenti fluidificanti devono avere un'elevata porosità e poter assorbire il liquido nella struttura dei pori attraverso l'azione capillare, che è uno dei motivi principali per cui la silice speciale ZLSIL™ è diventata un eccellente agente fluidificante per sistemi di polveri umide grazie alle sue caratteristiche di elevata porosità. Tuttavia, le condizioni di miscelazione influenzeranno direttamente le prestazioni dell'agente: se gli agglomerati di silice vengono sovra-depolimerizzati a livello submicronico, la struttura dei pori verrà distrutta e la capacità di assorbimento sarà notevolmente ridotta. In altre parole, la fine dispersione che può migliorare l'efficienza dell'agente nei sistemi di polveri secche ridurrà invece l'efficienza dell'agente nei sistemi di polveri umide.
Pertanto, per i sistemi di polvere umida, i prodotti in silice con alta porosità e maggiore stabilità meccanica sono più adatti. Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. ha sviluppato una varietà di silice speciali ZLSIL™ differenziate e prodotti in silice fumi ZLCSIL™ per questo scenario, che possono soddisfare con precisione le esigenze di modifica del flusso di diverse polveri di base.
Un esperimento controllato utilizzando una miscela umida di cloruro di sodio come polvere ospite ha dimostrato che il sistema salino umido stesso aveva una scorrevolezza estremamente scarsa, con un grado di scorrevolezza di 7 misurato con il metodo dell'imbuto. Dopo l'aggiunta dello 0,6% di ZLSIL™ 22 S o ZLSIL™ 50 S, la scorrevolezza del sistema poteva essere aumentata a un grado di scorrevolezza di 2 entro 1 minuto di miscelazione. Tuttavia, con l'estensione del tempo di miscelazione, la silice era sovra-dispersa, la porosità era ridotta e la scorrevolezza del sistema si deteriorava nuovamente. A seconda dell'intensità della miscelazione, l'effetto di sovra-miscelazione di ZLSIL™ 22 S poteva verificarsi entro pochi minuti, mentre ZLSIL™ 50 S poteva mantenere un'alta efficienza per lungo tempo senza cedimenti delle prestazioni dovuti all'estensione del tempo di miscelazione. Allo stesso tempo, l'esperimento ha confermato che la riduzione della forza di taglio e la diminuzione della velocità e dell'intensità di miscelazione potevano estendere significativamente il tempo di azione efficace di ZLSIL™ 22 S.
I liquidi che causano l'adesione delle polveri umide possono essere suddivisi in categorie a base acquosa e a base oleosa. Per i sistemi liquidi a base acquosa, oltre a migliorare la fluidità assorbendo il liquido, la silice idrofobica può essere utilizzata anche per una modifica efficiente, che si è dimostrata un agente di scorrimento speciale ad alta efficienza per le sostanze igroscopiche. La silice idrofobica non assorbe il film d'acqua, ma vi si sospende mantenendo una distanza stabile tra le particelle e può migliorare la fluidità a un livello di aggiunta inferiore, con la sua efficienza non limitata dalla propria capacità di assorbimento.
È da notare che la silice idrofobica è anche sensibile all'eccessiva miscelazione. Se viene applicata una forza di taglio eccessiva, il prodotto può essere bagnato dall'acqua e perdere il suo effetto di modifica. Maggiore è l'idrofobicità della silice, minore è la sensibilità all'eccessiva miscelazione. L'esperimento controllato ha dimostrato che per il sistema di cloruro di sodio umido, dopo l'aggiunta dello 0,4% di ZLCSIL™ D 10 e ZLCSIL™ D 17 idrofobici, la fluidità del sale poteva essere migliorata immediatamente. Tuttavia, dopo una miscelazione prolungata, la fluidità del sistema si è gradualmente deteriorata a causa del bagnamento della silice causato da un'eccessiva energia di taglio. Tra questi, l'effetto di eccessiva miscelazione di ZLCSIL™ D 17 poteva verificarsi entro 3 minuti, mentre ZLCSIL™ D 10 aveva una maggiore capacità anti-eccessiva miscelazione e poteva essere miscelato fino a 12 minuti alla data velocità di taglio senza alcuna diminuzione dell'effetto di modifica della fluidità.
Il comportamento di depolimerizzazione degli ausili di flusso durante la miscelazione con la polvere ospite produce effetti completamente diversi nei sistemi di polvere secca e umida:
1. Nei sistemi di polveri secche e dure, la depolimerizzazione degli agenti fluidificanti aiuta a coprire in modo più completo la superficie delle particelle di polvere ospite, migliorando così l'efficienza di modifica della silice come agente fluidificante.
2. Nei sistemi di polveri umide, un'eccessiva depolimerizzazione degli agenti fluidificanti distruggerà la struttura porosa della silice, ridurrà la porosità e indebolirà quindi l'efficienza di modifica della silice come agente fluidificante.
Sulla base di ciò, è necessario selezionare processi di miscelazione differenziati e modelli di silice adatti per diversi tipi di sistemi di polveri.
Le polveri di materiali morbidi come grassi, cere ed emulsionanti sono estremamente difficili da gestire durante la manipolazione e il trasporto. Soprattutto durante lo stoccaggio a lungo termine o il trasporto su lunghe distanze, questo tipo di polvere è molto incline a un forte agglomeramento; quando il prodotto è esposto ad ambienti con fluttuazioni di temperatura (come scenari di trasporto marittimo), il problema dell'agglomeramento si aggrava ulteriormente. Pertanto, ausili anti-agglomeranti efficienti sono essenziali per il trasporto su lunghe distanze e lo stoccaggio a lungo termine di questo tipo di polvere.
Le polveri morbide o termoplastiche subiranno deformazione delle particelle e quindi aderiranno l'una all'altra quando la temperatura aumenta o sotto pressione. La silice può essere rivestita uniformemente sulla superficie delle particelle di polvere morbida per formare uno strato isolante e impedire alle particelle di aderire l'una all'altra. Tuttavia, rispetto ai sistemi di polveri dure, per ottenere l'effetto anti-agglomerante ideale, specialmente l'effetto anti-agglomerante a lungo termine, è necessaria una maggiore quantità di silice: solitamente la quantità di silice nei sistemi di polveri morbide può arrivare fino al 5%, mentre i sistemi di polveri dure necessitano solitamente di una quantità inferiore all'1% per soddisfare la domanda.
La ragione principale è che una parte dell'agente antiagglomerante può penetrare nella superficie delle particelle di polvere morbida durante lo stoccaggio, con conseguente riduzione dell'efficienza di isolamento superficiale. Solo aggiungendo una quantità sufficiente di coadiuvante antiagglomerante possiamo garantire che rimanga una quantità sufficiente di coadiuvante sulla superficie delle particelle di polvere morbida in modo continuo per mantenere gli effetti a lungo termine di antiagglomerazione e modifica del flusso.
Il processo di miscelazione gioca un ruolo decisivo nelle prestazioni finali degli ausili al flusso, e l'attrezzatura di miscelazione e i parametri del processo devono essere accuratamente abbinati secondo le caratteristiche dei diversi sistemi di polvere:
3. Per polveri dure secche, l'intensità di miscelazione deve essere sufficientemente alta per depolimerizzare completamente gli agglomerati di silice, ottenere una copertura uniforme dell'ausilio sulla superficie della polvere ospite, e una miscelazione completa può ottenere un migliore effetto di modifica del flusso.
4. Per sistemi di polvere umida, un'intensità di miscelazione eccessiva distruggerà parzialmente la struttura porosa della silice, riducendo così le sue prestazioni anti-agglomerazione e di modifica del flusso, quindi è necessario un processo di miscelazione delicato.
5. Per sistemi di polvere morbida, l'intensità di miscelazione deve essere regolata in base alle caratteristiche di ammorbidimento e alla resistenza delle particelle della polvere, per evitare danni alla struttura delle particelle della polvere morbida a causa di forze di taglio eccessive, garantendo al contempo una dispersione uniforme della silice.
Gli scenari applicabili di diversi equipaggiamenti di miscelazione sono i seguenti:
• Frullatore a tamburo: può fornire un effetto di miscelazione estremamente delicato, particolarmente adatto per la lavorazione di polveri ultra-morbide.
• Miscelatore conico (come il miscelatore Nauta): ha anche caratteristiche di miscelazione delicata, con danni minimi alle particelle di polvere, ma richiede un tempo di miscelazione più lungo.
1. Miscelatore a pale: il processo di miscelazione è delicato e allo stesso tempo può raggiungere un'eccellente uniformità di miscelazione su scala macroscopica. È una scelta ideale per polveri morbide e polveri igroscopiche, e può mantenere completamente la struttura porosa della silice.
2. Miscelatore a taglio a vomere: energia di miscelazione più alta, ma comunque abbastanza delicato, non premerà il coadiuvante di flusso sulla superficie delle polveri morbide, adatto per molti tipi diversi di polveri, con un tempo di miscelazione richiesto più breve, che può essere regolato in modo flessibile in base alle esigenze reali: il tempo di miscelazione può essere accorciato per le polveri igroscopiche e opportunamente esteso per le polveri dure e secche.
3. Ribbon blender: maggiore intensità di miscelazione e grande forza di taglio, particolarmente adatto per la lavorazione di polveri secche dure.
Per la modifica del flusso dei prodotti essiccati a spruzzo, esiste uno schema di ottimizzazione del processo speciale: separare la silice dalla sospensione di materia prima e aggiungerla direttamente nell'essiccatore a spruzzo può far sì che la silice si disperda uniformemente sulla superficie di nuove particelle sotto l'azione del flusso d'aria calda, evitando completamente i danni alla polvere essiccata a spruzzo causati dallo stress meccanico, che è uno schema efficiente per la modifica del flusso di tali prodotti.
Dimensione principale | Polveri secche dure | Polveri umide dure | Polveri Morbide |
Tipo di Silice Adatto | Silice facile da disperdere | Silice ad alta stabilità meccanica, alta assorbenza | Silice facile da disperdere |
Livello di aggiunta raccomandato | Basso livello di aggiunta, solitamente ＜1% | Livello di aggiunta regolato in modo flessibile in base al contenuto di liquido del sistema | Alto livello di aggiunta, fino al 5%, specialmente per sistemi con requisiti di antiagglomerazione a lungo termine |
Requisiti del processo di miscelazione | Miscelazione completa ad alta intensità | Agitazione delicata a basso taglio | Miscelazione moderata: garantire la completa dispersione della silice senza danneggiare la struttura delle particelle di polvere morbida |
Nelle applicazioni industriali reali, i prodotti in polvere hanno spesso più caratteristiche contemporaneamente. Ad esempio, le polveri di frutta e verdura possono contenere sia componenti duri e secchi non igroscopici come l'amido, sia componenti igroscopici come gli zuccheri; il latte in polvere può contenere sia lattosio igroscopico che componenti morbidi a base di grassi. Il comportamento di flusso di questi sistemi compositi integrerà le caratteristiche dei singoli sistemi nella tabella sopra in modo complesso, pertanto è necessario progettare soluzioni mirate.
Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. può fornire selezione esclusiva di prodotti e servizi di ottimizzazione dei processi in base alle specifiche caratteristiche dei materiali e agli scenari di applicazione del cliente, e fornire supporto tecnico completo e guida all'applicazione per i prodotti della serie ZLSIL™, ZLCSIL™, ZQSIL™ per i clienti durante tutto il processo.
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.
Supporto tecnico completo e servizi personalizzati disponibili dalla nostra sede centrale e base di produzione.
Contatto: Tel +86 53188737397 | Email Levin@silicaplant.com
Documentazione tecnica e supporto all'applicazione disponibili su richiesta.
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