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ZLSIL™ & ZLCSIL™ スペシャルティシリカソリューションで粉体の流動性を向上
作成日 05.17
ZLSIL™ スペシャルティシリカおよびZLCSIL™ フュームドシリカを流れ助剤および固結防止剤として使用するためのテクニカルマニュアル
粉末原料は、食品、医薬品、化学、建材など、多くの産業で広く、かつますます使用されています。優れた流動性は、正確な粉末の取り扱い、サイロからのスムーズな排出、精密な計量のための重要な前提条件です。しかし、多くの粉末は本質的に凝集性が高く、加工が困難です。また、環境の湿度、温度、圧力などの気候条件や運転条件の影響を受け、ほとんどの粉末は保管中や輸送中に固結しやすく、その結果、応用がさらに困難になります。
これらの業界の課題に対処するため、中旗（山東）シリコン材料有限公司が開発したZLSIL™特殊シリカおよびZLCSIL™フュームドシリカシリーズは、高効率の流動助剤および固結防止剤として機能します。これらは、さまざまな粉末システムにおける流動性の低下や固結しやすいという問題を標的とし、解決することで、粉末製品の加工、保管、輸送に対してプロセス全体にわたる安定した保証を提供します。
粉体の流動挙動を正確に特徴づけるために、業界ではさまざまな標準化された試験方法が一般的に使用されており、その中心的な方法は以下の通りです。
これは粉体の流動性を評価する古典的な方法です。粉体をふるいを通して金属製の円筒の上に均一に落下させると、粉体は自然に円錐形を形成します。粒子が円錐の上に落ちると、円錐の角度と粒子の粘性に応じて付着または転がり落ちます。粒子が蓄積し続けると、重力が粒子間の凝集力を超えるまで円錐はより急になり、最終的に一定の高さと傾斜を持つ円錐を形成します。円錐の高さまたは傾斜の角度を測定することにより、粉体の「安息角」を得ることができます。粒子の粘性が強いほど、安息角の値は高くなり、粉体の流動性は悪くなります。逆に、安息角が低いほど、粉体の流動性は良好であることを示します。
これは、異なる出口径のガラス製漏斗のシリーズを使用して完了できる、粉末流動性の迅速試験方法です。2つの主要な試験モードがあります。1つは、粉末が対応する口径の漏斗から中断なく流出できるかどうかを判断し、それによって流動性グレードを判定することです。もう1つは、特定の出口径の漏斗を粉末が通過するのにかかる総時間を測定することです。時間が短いほど、粉末の流動性は良好です。
これは、より感度が高く、操作が簡単な試験方法です。試験中、粉末をふるい（一番上に一番目の大きいふるいを置く）の束に注ぎ、一定時間ふるいを振動させます。粉末は、その流れ特性に応じて下のふるいに沈降します。粉末に非常に強い凝集性がある場合、材料の大部分は一番上のふるいに残ります。粉末の流動性が良いほど、ふるいを通過して沈降する材料の量が多くなり、最終的にふるいパンに落ちる材料の割合が高くなります。振動後、各層のふるい上の残留物の質量を測定し、各層の質量にそれぞれのふるいの係数を掛けて合計します。最終結果が粉末流動性の定量測定値となります。
この方法は、より洗練された試験手順を持ち、試験データを使用してサイロの設計サイズを正確に計算し、スムーズな粉体排出を保証できます。 Jenikeの古典理論によれば、粉体強度に対する圧密応力の比率ffcは、粉体の流動性として定義されます。 Schultzeが提案した環状せん断セルは、古典的なせん断セルの最適化されたソリューションとして業界でも広く使用されており、試験精度をさらに向上させます。
Zimmermannらの研究によると、引張強度試験は低密度状態における粉体の凝集性を定量化するための中心的な手法である。試験中、薄いワセリン膜を塗布したプローブが粉体の平坦な表面に接触し、一定速度で持ち上げられる。高感度引張強度試験機が、上層の粉体を下層から分離するために必要な力を記録する。力の値が小さいほど、粉体の凝集性は低く、流動性は良好である。3 流れ助剤の作用機構
すべての粉末粒子はファン・デル・ワールス力によって互いに付着します。超微細粒子の場合、ファン・デル・ワールス力の影響は粒子の分離と粉末の流動を促進する重力よりもはるかに大きく、これは一般的に微細粉末の流動性が悪い主な理由です。
流動助剤自体は、非常に微細な粒子径を持つ粉末材料であり、母材粉末粒子の表面に均一にコーティングすることで粒子の表面粗さを増加させることができます。表面粗さの増加は、2つの粉末粒子間の引力を著しく低減させます。ZLSIL™ スペシャリティシリカおよびZLCSIL™ フュームドシリカは、母材粉末粒子の表面に完全に適合・被覆し、粒子間の相互作用力を効果的に隔離し、粒子間引力を大幅に低減させることができます。これが、それらが高効率の流動助剤および固結防止剤としてのコアとなる利点です。
このマニュアルでは、「固結」は特に、長期保存によって粉末の流動性が時間とともに低下し続け、極端な場合には全体的に固まった塊を形成する現象を指します。対応する「防固結剤」は、長期保存中に良好な粉末流動性を持続的に維持できる流動補助製品を指します。
低添加量で最高の流動性改善効果を得るためには、流動助剤を母粉末の表面に微細に分散させる必要があります。ZLSIL™ 特殊シリカおよび ZLCSIL™ フュームドシリカは、簡単な混合プロセスでこの微細分散を容易に達成でき、プラウシェアミキサー、パドルミキサー、リボンブレンダーなどの混合装置と互換性があります。
ZLSIL™ および ZLCSIL™ 製品のモデルによって、分散特性が異なります。ヴュルツブルク大学のツィンマーマン教授の研究室では、この効果について詳細な研究を行いました。実験では、コーンスターチをモデルマトリックスとして使用し、異なるモデルのZLSIL™ および ZLCSIL™ 製品、そして業界標準のリン酸三カルシウム（TCP）流動助剤を、Turbula® ブレンダーを用いて異なる混合時間でコーンスターチと混合しました。最後に、引張強度試験によってシステムの流動性を評価しました。
実験結果は、短時間の混合後、試験された全ての流動助剤がトウモロコシデンプンの流動性を著しく改善することを示した。中でもZLSIL™ D 17のような疎水性製品は、特に顕著な改善効果を示した。しかし、混合時間が長すぎると、系の流動性は再び低下した。その主な原因は、流動助剤がトウモロコシデンプンの表面で過分散し、粒子表面の粗さが低下し、流動改質効果が失われたことである。
加湿粉末の流動性が低い主な理由は、粉末粒子の表面に存在する液体膜（液体は水、水溶液、または油である可能性があります）が粒子同士を結合させていることです。流動助剤は、粒子表面の液体膜を吸収することで流動性を改善できます。
効率的な液体吸収を実現するためには、流動助剤は高い多孔性を持ち、毛細管現象によって細孔構造内に液体を吸収できる必要があります。これが、ZLSIL™特殊シリカがその高い多孔性という特性により、湿潤粉末システム用の優れた流動助剤となっている中核的な理由の一つです。しかし、混合条件は助剤の性能に直接影響します。シリカ凝集体がサブミクロンレベルまで過度に解重合されると、細孔構造が破壊され、吸収能力が大幅に低下します。つまり、乾燥粉末システムでの助剤の効率を向上させる微細分散は、湿潤粉末システムでは逆に助剤の効率を低下させることになります。
したがって、湿潤粉末システムには、高い多孔性とより強力な機械的安定性を持つシリカ製品がより適しています。中旗（山東）硅材料有限公司は、このシナリオ向けに、さまざまな差別化されたZLSIL™特殊シリカおよびZLCSIL™フュームドシリカ製品を開発しており、さまざまなベースパウダーの流動性改質ニーズに正確に対応できます。
湿潤塩化ナトリウム混合物をホスト粉末として用いた制御実験により、湿潤塩システム自体は流動性が極めて低く、漏斗法で測定した流動等級は7であることが示されました。ZLSIL™ 22 SまたはZLSIL™ 50 Sを0.6%添加すると、混合後1分以内にシステムの流動性を流動等級2まで向上させることができました。しかし、混合時間が長くなるにつれてシリカが過分散し、空隙率が低下し、システムの流動性が再び悪化しました。混合強度によっては、ZLSIL™ 22 Sの過剰混合効果が数分以内に発生する可能性があるのに対し、ZLSIL™ 50 Sは混合時間の延長による性能低下なしに長期間高い効率を維持できます。同時に、せん断力を低減し、混合速度と強度を低下させることで、ZLSIL™ 22 Sの効果的な作用時間を大幅に延長できることが実験で確認されました。
湿った粉末の付着を引き起こす液体は、水系と油系に分類できます。水系液体システムでは、液体を吸収して流動性を改善するだけでなく、疎水性シリカを使用して効率的な改質を行うこともでき、吸湿性物質に対する特殊な高効率流動助剤であることが証明されています。疎水性シリカは水膜を吸収せず、水膜上に懸濁して粒子間の安定した距離を維持し、低い添加レベルで流動性の改善を達成でき、その効率は自身の吸収能力に限定されません。
疎水性シリカは、過度の混合にも敏感であることに注意が必要です。過剰なせん断力が加わると、製品が水で濡れてしまい、改質効果を失う可能性があります。シリカの疎水性が強いほど、過度の混合に対する感度は低くなります。管理された実験では、湿潤塩化ナトリウム系に、疎水性ZLCSIL™ D 10およびZLCSIL™ D 17を0.4%添加した後、塩の流動性が直ちに改善されることが示されました。しかし、長時間の混合後、過剰なせん断エネルギーによるシリカの濡れにより、システム流動性は徐々に悪化しました。その中でも、ZLCSIL™ D 17の過剰混合効果は3分以内に発生する可能性がありましたが、ZLCSIL™ D 10はより強力な過剰混合防止能力を持ち、所定のせん断速度で最大12分間混合しても流動改質効果の低下は見られませんでした。
流動助剤がホスト粉末と混合される際の解重合挙動は、乾燥粉末システムと湿潤粉末システムで完全に異なる効果を生み出します。
1. 乾燥した硬い粉体システムでは、流動補助剤の脱重合がホスト粉体粒子の表面をより包括的に覆うのに役立ち、シリカの流動補助剤としての改良効率を向上させます。
2. 湿った粉体システムでは、流動補助剤の過剰な脱重合がシリカの孔構造を破壊し、孔隙率を低下させ、その結果、シリカの流動補助剤としての改良効率を弱めます。
これに基づいて、異なるタイプの粉体システムに対して差別化された混合プロセスと適切なシリカモデルを選択する必要があります。
脂肪、ワックス、乳化剤などの軟質材料の粉末は、取り扱いや輸送中に非常に扱いにくいものです。特に長期間の保管や長距離輸送中は、この種の粉末はひどい固結を起こしやすくなります。製品が温度変動環境（海上輸送など）にさらされると、固結の問題はさらに悪化します。したがって、この種の粉末の長距離輸送と長期保管には、効率的な固結防止剤が不可欠です。
温度が上昇したり、圧力がかかったりすると、軟質または熱可塑性粉末は粒子変形を起こし、互いに付着します。シリカは軟質粉末粒子の表面に均一にコーティングされ、隔離層を形成し、粒子同士の付着を防ぐことができます。しかし、硬質粉末システムと比較して、特に長期的な固結防止効果を理想的に達成するには、より多くのシリカの添加量が必要です。通常、軟質粉末システムにおけるシリカの添加量は最大5%になることがありますが、硬質粉末システムでは通常1%未満の添加量で需要を満たすことができます。
コアの理由は、抗塊剤の一部が保管中に柔らかい粉末粒子の表面に浸透し、表面の隔離効率が低下する可能性があることです。十分な量の抗塊剤を追加することで、柔らかい粉末粒子の表面に十分な量の助剤が継続的に残り、長期的な抗塊および流動改良効果を維持できることが保証されます。
混合プロセスは、流動助剤の最終性能において決定的な役割を果たします。混合装置とプロセスパラメータは、異なる粉末システムの特性に応じて正確に一致させる必要があります。
3. 乾燥した硬質粉末の場合、シリカ凝集塊を完全に解重合し、母粉末の表面への助剤の均一な被覆を達成するために、混合強度を十分に高くする必要があります。また、完全な混合により、より優れた流動改質効果が得られます。
4. 保湿性粉末システムの場合、過度の混合強度はシリカの細孔構造を部分的に破壊し、その結果、固結防止性能と流動改質性能を低下させるため、穏やかな混合プロセスが必要です。
5. 軟質粉末システムの場合、混合強度は、粉末の軟化特性と粒子強度に応じて調整する必要があります。これにより、過度のせん断力による軟質粉末の粒子構造の損傷を回避しつつ、シリカの均一な分散を確保します。
異なる混合機器の適用シナリオは以下の通りです：
• タンブルブレンダー：非常に穏やかな混合効果を提供でき、特に超柔らかい粉末の処理に適しています。
• コニカルミキサー（ナウタミキサーなど）：穏やかな混合特性を持ち、粉末粒子へのダメージが最小限ですが、混合時間が長く必要です。
1. パドルミキサー：混合プロセスは穏やかで、同時にマクロスケールで優れた混合均一性を達成できます。柔らかい粉末や吸湿性粉末に理想的な選択肢であり、シリカの孔構造を完全に保持できます。
2. プラウシアミキサー：より高い混合エネルギーを持ちますが、まだ穏やかで、流動助剤を柔らかい粉末の表面に押し込むことはありません。多くの異なるタイプの粉末に適しており、必要な混合時間が短く、実際のニーズに応じて柔軟に調整できます：吸湿性粉末の場合は混合時間を短縮し、乾燥した硬い粉末の場合は適切に延長できます。
3. リボンブレンダー：より高い混合強度と大きなせん断力、特に硬い乾燥粉末の処理に適しています。
スプレードライ製品の流動改良のために、特別なプロセス最適化スキームがあります：原料スラリーからシリカを分離し、スプレードライヤーに直接添加することで、シリカが新しい粒子の表面に均等に分散し、熱風の作用下で機械的ストレスによるスプレードライ粉末への損傷を完全に回避することができ、こうした製品の流動改良のための効率的なスキームです。
コア寸法 | 乾燥硬質粉末 | 湿潤硬質粉末 | ソフトパウダー |
適切なシリカタイプ | 分散しやすいシリカ | 高い機械的安定性、高い吸着性シリカ | 分散しやすいシリカ |
推奨添加レベル | 低添加レベル、通常は＜1% | システムの液体含有量に応じて柔軟に調整された添加レベル | 高添加レベル、特に長期的な防固結要件のあるシステムでは最大5%まで |
混合プロセス要件 | 高強度フルミキシング | 低せん断マイルド撹拌 | 中程度の混合：ソフトな粉末粒子構造を損傷することなく、シリカの完全な分散を保証します |
実際の工業用途では、粉末製品は同時に複数の特性を持つことがよくあります。例えば、果物や野菜の粉末は、デンプンなどの硬くて乾燥した非吸湿性成分と、糖などの吸湿性成分の両方を含む場合があります。また、粉ミルクは吸湿性のラクトースと脂肪ベースの柔らかい成分の両方を含む場合があります。これらの複合システムの流動挙動は、上記の表にある単一システムの特性を複雑に統合するため、ターゲットを絞ったソリューションを設計する必要があります。
中旗（山東）硅材料有限公司は、顧客固有の材料特性と応用シナリオに応じて、排他的な製品選択とプロセス最適化サービスを提供し、プロセス全体を通じてZLSIL™、ZLCSIL™、ZQSIL™シリーズ製品に対して完全な技術サポートと応用ガイダンスをお客様に提供できます。
中旗（山東）シリコン材料有限公司。高級食品・医薬品添加物グレードシリカの研究開発、製造、販売を専門としています。コアブランド：ZLSIL™、ZLXIDE™、ZLCSIL™。製品は世界の食品グレード基準を満たし、世界の食品・製薬企業に準拠した高性能製剤ソリューションを提供します。
本社および生産拠点から、フルプロセス技術サポートとカスタマイズサービスをご利用いただけます。
お問い合わせ：電話 +86 53188737397 | メール Levin@silicaplant.com
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