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ZLSIL™ & ZLCSIL™ 특수 실리카 솔루션으로 분말 유동성 향상
생성 날짜 05.17
ZLSIL™ 특수 실리카 및 ZLCSIL™ 흄드 실리카를 유동 보조제 및 고결 방지제로 사용하는 기술 매뉴얼
분말 원료는 식품, 제약, 화학, 건축 자재 및 기타 여러 산업에서 광범위하고 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 우수한 유동성은 정확한 분말 취급, 원활한 사일로 배출 및 정밀한 계량을 위한 핵심 전제 조건입니다. 그러나 많은 분말은 본질적으로 응집성이 높고 가공하기 어렵습니다. 한편, 환경 습도, 온도, 압력 및 기타 기후 또는 작동 조건의 영향을 받아 대부분의 분말은 보관 또는 운송 중에 덩어리지는 경향이 매우 높아 적용의 어려움을 더욱 증가시킵니다.
이러한 산업의 문제점을 해결하기 위해 Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd.에서 개발한 ZLSIL™ 특수 실리카 및 ZLCSIL™ 연소 실리카 시리즈는 고효율 유동 보조제 및 응집 방지제로 사용됩니다. 이들은 다양한 분말 시스템에서 유동성이 좋지 않고 쉽게 응집되는 문제를 목표로 하여 해결하며, 분말 제품의 가공, 저장 및 운송에 대한 전 과정 안정성을 보장합니다.
분말의 유동 거동을 정확하게 특성화하기 위해 산업에서 일반적으로 사용되는 다양한 표준화된 테스트 방법이 있으며, 핵심 방법은 다음과 같습니다:
이것은 분말 유동성을 특성화하는 고전적인 방법입니다. 분말을 체를 통해 금속 실린더 상단에 고르게 떨어뜨리면 분말이 자연스럽게 원뿔을 형성합니다. 입자가 원뿔 위에 떨어지면 원뿔 각도와 입자 점도에 따라 달라붙거나 굴러갑니다. 입자가 계속 쌓이면 중력이 입자 간 응집력을 초과할 때까지 원뿔이 더 가팔라지며, 결국 고정된 높이와 기울기를 가진 원뿔을 형성합니다. 원뿔의 높이나 기울기 각도를 측정하여 분말의 "안정각"을 얻을 수 있습니다. 입자 점도가 강할수록 안정각 값이 높아지고 분말 유동성은 나빠집니다. 반대로 안정각이 낮을수록 분말 유동성이 좋습니다.
이것은 다양한 출구 직경을 가진 일련의 유리 깔때기를 사용하여 완료할 수 있는 분말 유동성 신속 시험 방법입니다. 두 가지 핵심 시험 모드가 있습니다. 첫 번째는 분말이 해당 구경의 깔때기에서 중단 없이 흘러나올 수 있는지 여부를 결정하여 유동성 등급을 판단하는 것입니다. 두 번째는 특정 출구 직경의 깔때기를 통과하는 분말의 총 시간을 측정하는 것입니다. 시간이 짧을수록 분말 유동성이 좋습니다.
이것은 더 민감하고 조작하기 쉬운 시험 방법입니다. 시험 중에는 분말을 체망(가장 큰 구멍의 체가 위에 오도록)에 붓고, 체망을 고정된 시간 동안 진동시킵니다. 분말은 자체 유동 특성에 따라 아래쪽 체로 내려앉습니다. 분말의 응집력이 매우 강하면 대부분의 물질이 맨 위 체에 남아 있게 됩니다. 분말의 유동성이 좋을수록 체를 통과하여 내려앉는 물질의 양이 많아지고, 최종적으로 체 받침 팬으로 떨어지는 물질의 비율이 높아집니다. 진동 후 각 체층에 남은 잔류물의 질량을 측정하고, 각 층의 질량에 해당 체의 계수를 곱하여 합산하면 분말 유동성의 정량 측정값이 됩니다.
이 방법은 더 정교한 테스트 절차를 가지고 있으며, 테스트 데이터를 사용하여 사일로의 설계 크기를 정확하게 계산하여 분말 배출을 원활하게 할 수 있습니다. Jenike의 고전 이론에 따르면, 압축 응력과 벌크 재료 강도의 비율인 ffc는 분말 유동성으로 정의됩니다. Schultze가 제안한 환형 전단 셀은 고전적인 전단 셀을 최적화한 솔루션으로 산업계에서 널리 사용되며 테스트 정확도를 더욱 향상시킵니다.
Zimmermann 등의 학자들의 연구에 따르면, 인장 강도 시험은 저밀도 상태의 분말 응집력을 정량화하는 핵심 방법입니다. 시험 중에는 얇은 바셀린 막이 덮인 프로브가 분말의 평평한 표면에 접촉한 후 일정한 속도로 들어 올려집니다. 고감도 인장 강도 시험기는 윗부분의 분말 층을 아랫부분의 분말 층에서 분리하는 데 필요한 힘을 기록합니다. 힘 값이 작을수록 분말 응집력이 낮고 유동성이 좋습니다.3 유동 보조제의 작용 메커니즘
모든 분말 입자는 반 데르 발스 힘에 의해 서로 달라붙습니다. 초미세 입자의 경우, 반 데르 발스 힘의 영향은 입자 분리 및 분말 흐름을 촉진하는 중력보다 훨씬 크며, 이는 일반적으로 미세 분말의 흐름성이 좋지 않은 근본적인 이유입니다.
흐름 보조제 자체는 입자 크기가 매우 미세한 분말 재료로, 주 분말 입자 표면에 균일하게 코팅되어 입자의 표면 거칠기를 증가시킬 수 있습니다. 표면 거칠기의 증가는 두 분말 입자 간의 인력을 크게 감소시킬 수 있습니다. ZLSIL™ 특수 실리카와 ZLCSIL™ 흄드 실리카는 주 분말 입자 표면에 완벽하게 밀착 및 커버되어 입자 간 상호 작용력을 효과적으로 차단하고 입자 간 인력을 크게 감소시킬 수 있으며, 이는 고효율 흐름 보조제 및 고결 방지제로서의 핵심 장점입니다.
본 설명서에서 "고결"은 장기간 보관으로 인해 분말의 흐름성이 시간이 지남에 따라 지속적으로 감소하고, 심한 경우 전체적으로 덩어리지는 현상을 구체적으로 지칭합니다. 이에 상응하는 "고결 방지제"는 장기간 보관 중에도 분말의 우수한 흐름성을 지속적으로 유지할 수 있는 유동 보조제 제품을 의미합니다.
낮은 첨가 수준에서 최상의 유동 개선 효과를 얻으려면, 유동 조절제는 주 분말 표면에 미세하게 분산되어야 합니다. ZLSIL™ 특수 실리카 및 ZLCSIL™ 흄드 실리카는 간단한 혼합 공정을 통해 이러한 미세 분산을 쉽게 달성할 수 있으며, 플로우 셔 믹서, 패들 믹서 또는 리본 블렌더를 포함한 혼합 장비와 호환됩니다.
ZLSIL™ 및 ZLCSIL™ 제품의 다양한 모델은 차별화된 분산 특성을 가지고 있습니다. 뷔르츠부르크 대학의 Zimmermann 교수팀은 이 효과에 대해 심층적인 연구를 수행했습니다. 실험에서는 옥수수 전분을 모델 매트릭스로 사용하고, 다양한 모델의 ZLSIL™ 및 ZLCSIL™ 제품과 업계 표준인 삼인산칼슘(TCP) 유동 조제를 Turbula® 블렌더를 사용하여 다양한 혼합 시간 동안 옥수수 전분과 혼합했습니다. 마지막으로 인장 강도 테스트를 통해 시스템의 유동성을 평가했습니다.
실험 결과, 단시간 혼합 후 시험된 모든 유동 조절제는 옥수수 전분의 유동성을 유의미하게 향상시켰으며, 그중 ZLSIL™ D 17과 같은 소수성 제품은 특히 뛰어난 개선 효과를 보였습니다. 그러나 혼합 시간이 너무 길어지면 시스템의 유동성이 다시 감소했습니다. 핵심 이유는 유동 조절제가 옥수수 전분 표면에 과분산되어 입자 표면 거칠기가 감소하고 유동 조절 효과를 잃었기 때문입니다.
습윤 분말의 유동성이 좋지 않은 핵심 이유는 분말 입자 표면에 존재하는 액체 필름(액체는 물, 수용액 또는 오일일 수 있음)이 입자를 서로 결합시키기 때문입니다. 유동 조절제는 입자 표면의 액체 필름을 흡수하여 유동성을 개선할 수 있습니다.
효율적인 액체 흡수를 달성하기 위해 유동 조절제는 높은 다공성을 가져야 하며 모세관 현상을 통해 기공 구조로 액체를 흡수할 수 있어야 합니다. 이것이 ZLSIL™ 특수 실리카가 높은 다공성 특성을 바탕으로 습윤 분말 시스템의 우수한 유동 조절제가 된 핵심적인 이유 중 하나입니다. 그러나 혼합 조건은 유동 조절제의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 실리카 응집체가 마이크로미터 이하 수준으로 과도하게 해중합되면 기공 구조가 파괴되어 흡수 능력이 크게 감소합니다. 즉, 건조 분말 시스템에서 유동 조절제의 효율을 향상시키는 미세 분산은 습윤 분말 시스템에서는 오히려 유동 조절제의 효율을 감소시킬 것입니다.
따라서 습식 분말 시스템의 경우 높은 다공성과 더 강한 기계적 안정성을 가진 실리카 제품이 더 적합합니다. 중치(산동) 실리콘 소재 유한회사는 이러한 시나리오를 위해 다양한 차별화된 ZLSIL™ 특수 실리카 및 ZLCSIL™ 흄드 실리카 제품을 개발했으며, 이는 다양한 기본 분말의 유동성 개선 요구에 정확하게 부합할 수 있습니다.
습윤 염화나트륨 혼합물을 호스트 분말로 사용한 제어된 실험에서 습윤 염 혼합물 자체의 유동성이 매우 낮았으며, 깔때기 방법을 사용한 유동 등급은 7로 측정되었습니다. ZLSIL™ 22 S 또는 ZLSIL™ 50 S를 0.6% 첨가한 후, 혼합 1분 이내에 유동 등급 2로 유동성을 향상시킬 수 있었습니다. 그러나 혼합 시간이 길어짐에 따라 실리카가 과분산되고 기공률이 감소하여 시스템의 유동성이 다시 저하되었습니다. 혼합 강도에 따라 ZLSIL™ 22 S의 과혼합 효과는 몇 분 안에 발생할 수 있었지만, ZLSIL™ 50 S는 혼합 시간 연장으로 인한 성능 저하 없이 장시간 동안 높은 효율을 유지할 수 있었습니다. 동시에, 전단력을 줄이고 혼합 속도와 강도를 낮추면 ZLSIL™ 22 S의 유효 작용 시간을 크게 연장할 수 있음을 실험을 통해 확인했습니다.
습윤 분말의 끈적임을 유발하는 액체는 수성 및 유성으로 나눌 수 있습니다. 수성 액체 시스템의 경우, 액체를 흡수하여 유동성을 개선하는 것 외에도 소수성 실리카를 사용하여 효율적인 변형을 할 수 있으며, 이는 흡습성 물질에 대한 특별한 고효율 유동 보조제로 입증되었습니다. 소수성 실리카는 수분막을 흡수하지 않고 수분막 위에 떠서 입자 간의 안정적인 거리를 유지하며, 낮은 첨가 수준에서 유동성 개선을 달성할 수 있으며, 그 효율성은 자체 흡수 능력에 의해 제한되지 않습니다.
주의할 점은 소수성 실리카 역시 과도한 혼합에 민감하다는 것입니다. 과도한 전단력이 가해지면 제품이 물에 젖어 변형 효과를 잃을 수 있습니다. 실리카의 소수성이 강할수록 과도한 혼합에 대한 민감도는 낮아집니다. 제어 실험 결과, 습한 염화나트륨 시스템에 소수성 ZLCSIL™ D 10 및 ZLCSIL™ D 17을 각각 0.4% 첨가한 후 염의 유동성이 즉시 개선되었습니다. 그러나 장시간 혼합 후에는 과도한 전단 에너지로 인한 실리카의 습윤으로 인해 시스템 유동성이 점차 저하되었습니다. 그중 ZLCSIL™ D 17의 과도한 혼합 효과는 3분 이내에 발생할 수 있었던 반면, ZLCSIL™ D 10은 더 강한 과도 혼합 방지 능력을 가지고 있어 주어진 전단 속도에서 유동성 변형 효과 감소 없이 최대 12분까지 혼합할 수 있었습니다.
혼합 중 흐름 보조제의 탈중합 행동은 건조 및 습기 있는 분말 시스템에서 완전히 다른 효과를 생성합니다:
1. 건조하고 단단한 분말 시스템에서는 유동 보조제의 탈중합이 주 분말 입자 표면을 보다 포괄적으로 덮도록 도와 실리카의 유동 보조제로서의 개질 효율을 향상시킵니다.
2. 습한 분말 시스템에서는 유동 보조제의 과도한 탈중합이 실리카의 기공 구조를 파괴하고 다공성을 감소시켜 실리카의 유동 보조제로서의 개질 효율을 약화시킵니다.
이를 바탕으로 다양한 유형의 분말 시스템에 대해 차별화된 혼합 공정과 적합한 실리카 모델을 선택해야 합니다.
지방, 왁스, 유화제와 같은 연질 재료의 분말은 취급 및 운송 중에 다루기가 매우 어렵습니다. 특히 장기 보관 또는 장거리 운송 중에는 이러한 유형의 분말이 심각한 덩어리짐 현상에 매우 취약합니다. 제품이 온도 변화 환경(예: 해상 운송 시나리오)에 노출되면 덩어리짐 문제는 더욱 악화됩니다. 따라서 이러한 유형의 분말을 장거리 운송하고 장기간 보관하기 위해서는 효율적인 덩어리짐 방지 보조제가 필수적입니다.
온도 상승 또는 압력 하에서 연질 또는 열가소성 분말은 입자 변형을 거쳐 서로 달라붙게 됩니다. 실리카는 연질 분말 입자 표면에 균일하게 코팅되어 격리층을 형성하고 입자 간의 응집을 방지할 수 있습니다. 그러나 경질 분말 시스템에 비해 이상적인 고결 방지 효과, 특히 장기적인 고결 방지 효과를 달성하려면 더 많은 양의 실리카가 필요합니다. 일반적으로 연질 분말 시스템에서 실리카 첨가량은 최대 5%까지 될 수 있지만, 경질 분말 시스템은 일반적으로 요구 사항을 충족하기 위해 1% 미만의 첨가량만 필요합니다.
핵심 이유는 보관 중에 일부 고결 방지제가 연질 분말 입자 표면으로 침투하여 표면 격리 효율이 감소할 수 있기 때문입니다. 충분한 양의 고결 방지 보조제를 첨가해야만 연질 분말 입자 표면에 충분한 보조제가 지속적으로 남아 장기적인 고결 방지 및 유동성 개선 효과를 유지할 수 있습니다.
혼합 과정은 유동 보조제의 최종 성능에 결정적인 역할을 하며, 혼합 장비와 공정 매개변수는 서로 다른 분말 시스템의 특성에 따라 정확하게 일치해야 합니다.
3. 건조 경질 분말의 경우, 혼합 강도가 실리카 응집체를 완전히 분해하고, 호스트 분말의 표면에 보조제가 균일하게 도포되도록 충분히 높아야 하며, 완전 혼합을 통해 더 나은 유동 수정 효과를 얻을 수 있습니다.
4. 습기 있는 분말 시스템의 경우, 과도한 혼합 강도는 실리카의 기공 구조를 부분적으로 파괴하여 응집 방지 및 유동 수정 성능을 저하시킬 수 있으므로, 부드러운 혼합 과정이 필요합니다.
5. 연질 분말 시스템의 경우, 혼합 강도는 분말의 연화 특성과 입자 강도에 따라 조정해야 하며, 과도한 전단력으로 인해 연질 분말의 입자 구조가 손상되지 않도록 하면서 실리카의 균일한 분산을 보장해야 합니다.
다양한 혼합 장비의 적용 가능한 시나리오는 다음과 같습니다:
• 텀블 블렌더: 매우 부드러운 혼합 효과를 제공할 수 있으며, 특히 초연한 분말의 가공에 적합합니다.
• 원추형 믹서(예: 나우타 믹서): 부드러운 혼합 특성을 가지고 있으며, 분말 입자에 대한 손상이 최소화되지만, 더 긴 혼합 시간이 필요합니다.
1. 패들 믹서: 혼합 과정이 부드럽고 동시에 매크로 스케일에서 우수한 혼합 균일성을 달성할 수 있습니다. 이는 부드러운 분말과 흡습성 분말에 이상적인 선택이며, 실리카의 기공 구조를 완전히 유지할 수 있습니다.
2. 플라우 전단 믹서: 더 높은 혼합 에너지를 가지지만 여전히 충분히 부드러워서 흐름 보조제를 부드러운 분말의 표면에 눌러 넣지 않으며, 다양한 유형의 분말에 적합하고 필요한 혼합 시간이 짧아 실제 필요에 따라 유연하게 조정할 수 있습니다: 흡습성 분말의 경우 혼합 시간을 단축할 수 있고, 건조한 경질 분말의 경우 적절히 연장할 수 있습니다.
3. 리본 블렌더: 혼합 강도가 높고 전단력이 커서 특히 단단한 건조 분말 처리에 적합합니다.
분무 건조 제품의 유동성 개선을 위해 특별한 공정 최적화 방안이 있습니다. 원료 슬러리에서 실리카를 분리하여 분무 건조기에 직접 첨가하면, 뜨거운 공기 흐름의 작용으로 실리카가 새로운 입자 표면에 고르게 분산되어 기계적 응력으로 인한 분무 건조 분말의 손상을 완전히 피할 수 있습니다. 이는 이러한 제품의 유동성 개선을 위한 효율적인 방안입니다.
핵심 치수 | 건조 경질 분말 | 습윤 경질 분말 | 부드러운 분말 |
적합한 실리카 유형 | 분산이 용이한 실리카 | 높은 기계적 안정성, 높은 흡수성 실리카 | 분산이 용이한 실리카 |
권장 첨가량 | 낮은 첨가량, 일반적으로 1% 미만 | 시스템의 액체 함량에 따라 유연하게 조절되는 첨가량 | 높은 첨가량, 특히 장기간 고결 방지 요구 사항이 있는 시스템의 경우 최대 5% |
혼합 공정 요구 사항 | 고강도 전체 혼합 | 저전단 마일드 교반 | 적절한 혼합: 부드러운 분말 입자 구조를 손상시키지 않고 실리카의 완전한 분산 보장 |
실제 산업 응용 분야에서 분말 제품은 종종 동시에 여러 특성을 가집니다. 예를 들어, 과일 및 채소 분말은 전분과 같이 단단하고 건조하며 흡습성이 없는 성분과 설탕과 같이 흡습성 있는 성분을 모두 포함할 수 있습니다. 분유는 흡습성 있는 유당과 지방 기반의 부드러운 성분을 모두 포함할 수 있습니다. 이러한 복합 시스템의 흐름 거동은 위 표의 단일 시스템 특성을 복잡한 방식으로 통합하므로 표적화된 솔루션 설계가 필요합니다.
중치(산동) 실리콘 소재 유한회사는 고객의 특정 재료 특성 및 응용 시나리오에 따라 독점적인 제품 선택 및 공정 최적화 서비스를 제공할 수 있으며, ZLSIL™, ZLCSIL™, ZQSIL™ 시리즈 제품에 대해 전체 프로세스에 걸쳐 고객에게 완전한 기술 지원 및 응용 지침을 제공합니다.
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.
본사 및 생산 기지에서 제공되는 전체 프로세스 기술 지원 및 맞춤형 서비스.
연락처: 전화 +86 53188737397 | 이메일 Levin@silicaplant.com
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