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Melhore a Fluidez do Pó com Soluções de Sílica Especial ZLSIL™ e ZLCSIL™
Criado em 05.17
Manual Técnico para Sílica Especial ZLSIL™ e Sílica Pirogênica ZLCSIL™ como Auxiliares de Fluxo e Agentes Antiaglomerantes
Matérias-primas em pó são amplamente e cada vez mais utilizadas nas indústrias alimentar, farmacêutica, química, de materiais de construção e muitas outras. Excelente fluidez é um pré-requisito fundamental para o manuseio preciso de pós, descarga suave de silos e dosagem precisa. No entanto, muitos pós são inerentemente muito coesos e difíceis de processar. Enquanto isso, afetados pela umidade ambiental, temperatura, pressão e outras condições climáticas ou operacionais, a maioria dos pós é extremamente propensa à aglomeração durante o armazenamento ou transporte, o que aumenta ainda mais a dificuldade de aplicação.
Para solucionar esses pontos problemáticos da indústria, as sílicas especiais ZLSIL™ e as sílicas pirogênicas ZLCSIL™ desenvolvidas pela Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. servem como auxiliares de fluxo e agentes antiaglomerantes de alta eficiência. Elas visam e resolvem os problemas de baixa fluidez e fácil aglomeração em vários sistemas de pó, fornecendo garantia estável em todo o processo para o processamento, armazenamento e transporte de produtos em pó.
Para caracterizar com precisão o comportamento de fluxo de pós, uma variedade de métodos de teste padronizados são comumente usados na indústria, com os métodos principais sendo os seguintes:
Este é um método clássico para caracterizar a fluidez de pós. O pó é deixado cair uniformemente através de uma peneira sobre o topo de um cilindro metálico, e o pó forma naturalmente um cone. Quando as partículas caem sobre o cone, elas aderem ou rolam de acordo com o ângulo do cone e a viscosidade das partículas. À medida que as partículas continuam a acumular-se, o cone torna-se mais íngreme até que a gravidade exceda a coesão entre as partículas, formando finalmente um cone com altura e inclinação fixas. Medindo a altura do cone ou o ângulo da inclinação, pode ser obtido o "ângulo de repouso" do pó. Quanto maior a viscosidade das partículas, maior o valor do ângulo de repouso e pior a fluidez do pó. Inversamente, um ângulo de repouso menor representa uma melhor fluidez do pó.
Este é um método de teste rápido para a fluidez de pós, que pode ser concluído usando uma série de funis de vidro com diferentes diâmetros de saída. Existem dois modos de teste principais: um é determinar se o pó pode fluir para fora do funil do calibre correspondente sem interrupção, para assim julgar o grau de fluidez; o outro é medir o tempo total para o pó passar pelo funil com um diâmetro de saída específico. Quanto menor o tempo, melhor a fluidez do pó.
Este é um método de teste mais sensível e fácil de operar. Durante o teste, o pó é despejado em um conjunto de peneiras (com a peneira de maior abertura no topo), e o conjunto de peneiras é oscilado por um período fixo de tempo. O pó se depositará nas peneiras inferiores de acordo com suas próprias características de fluxo. Se o pó tiver coesão extremamente forte, a maior parte do material permanecerá na peneira superior. Quanto melhor a fluidez do pó, maior a quantidade de material que passa pela peneira e se deposita, e maior a proporção de material que finalmente cai no coletor. Após a oscilação, a massa de resíduos em cada camada de peneira é pesada, a massa de cada camada é multiplicada pelo coeficiente da peneira correspondente e somada, e o resultado final é o valor de medição quantitativa da fluidez do pó.
Este método possui um procedimento de teste mais sofisticado, e os dados de teste podem ser usados para calcular com precisão o tamanho de projeto do silo para garantir a descarga suave do pó. De acordo com a teoria clássica de Jenike, a razão ffc da tensão de consolidação para a resistência do material a granel é definida como a fluidez do pó. A célula de cisalhamento anular proposta por Schultze também é amplamente utilizada na indústria como uma solução otimizada da célula de cisalhamento clássica para melhorar ainda mais a precisão do teste.
De acordo com a pesquisa de estudiosos como Zimmermann, o teste de resistência à tração é o método central para quantificar a coesão do pó em um estado de baixa densidade. Durante o teste, uma sonda com uma fina camada de vaselina entra em contato com a superfície plana do pó e é levantada a uma velocidade constante. Um testador de resistência à tração de alta sensibilidade registra a força necessária para separar a camada superior do pó da camada inferior. Quanto menor o valor da força, menor a coesão do pó e melhor a fluidez.3 Mecanismo de Ação de Auxiliares de Fluxo
Todas as partículas de pó aderem umas às outras através das forças de van der Waals. Para partículas ultrafinas, o efeito das forças de van der Waals é muito maior do que a gravidade que promove a separação das partículas e o fluxo do pó, que é a razão principal para a geralmente baixa fluidez dos pós finos.
Os auxiliares de fluxo são, em si, materiais em pó com tamanho de partícula extremamente fino, que podem ser revestidos uniformemente na superfície das partículas do pó hospedeiro para aumentar a rugosidade superficial das partículas, e o aumento da rugosidade superficial pode reduzir significativamente a força atrativa entre duas partículas de pó. A sílica especial ZLSIL™ e a sílica pirogênica ZLCSIL™ podem se ajustar e cobrir perfeitamente a superfície das partículas do pó hospedeiro, isolando efetivamente a força de interação entre as partículas e reduzindo muito a atração interpartículas, que é a vantagem central delas como auxiliares de fluxo e agentes antiaglomerantes de alta eficiência.
Neste manual, "aglomeração" refere-se especificamente ao fenômeno em que a fluidez do pó continua a declinar ao longo do tempo devido ao armazenamento prolongado, e até mesmo forma um bloco consolidado geral em casos extremos. O correspondente "agente antiaglomerante" refere-se a um produto auxiliar de fluxo que pode manter continuamente uma boa fluidez do pó durante o armazenamento a longo prazo.
Para alcançar o melhor efeito de melhoria do fluxo em um baixo nível de adição, o auxiliar de fluxo deve ser finamente disperso na superfície do pó hospedeiro. ZLSIL™ sílica especial e ZLCSIL™ sílica fumada podem facilmente alcançar essa fina dispersão através de um simples processo de mistura, e são compatíveis com equipamentos de mistura, incluindo misturadores de corte em arado, misturadores de pá ou misturadores de fita.
Diferentes modelos de produtos ZLSIL™ e ZLCSIL™ possuem características de dispersão diferenciadas. A equipe do Professor Zimmermann na Universidade de Würzburg realizou pesquisas aprofundadas sobre este efeito. No experimento, o amido de milho foi usado como matriz modelo, e diferentes modelos de produtos ZLSIL™ e ZLCSIL™, bem como o fosfato tricálcico (TCP) padrão da indústria, um auxiliar de fluxo, foram misturados com amido de milho por diferentes tempos de mistura usando um misturador Turbula®. Finalmente, a fluidez do sistema foi avaliada através de um teste de resistência à tração.
Os resultados experimentais mostraram que, após mistura de curto tempo, todos os auxiliares de fluxo testados puderam melhorar significativamente a fluidez do amido de milho, entre os quais produtos hidrofóbicos como o ZLSIL™ D 17 tiveram um efeito de melhoria particularmente notável. No entanto, quando o tempo de mistura foi muito longo, a fluidez do sistema diminuiu novamente. A razão principal é que o auxiliar de fluxo foi superdisperso na superfície do amido de milho, resultando na redução da rugosidade da superfície das partículas e na perda do efeito de modificação do fluxo.
A razão principal para a baixa fluidez dos pós úmidos é que o filme líquido (o líquido pode ser água, solução aquosa ou óleo) existente na superfície das partículas de pó une as partículas. Auxiliares de fluxo podem melhorar a fluidez absorvendo o filme líquido na superfície da partícula.
Para alcançar uma absorção eficiente de líquidos, os auxiliares de fluxo devem ter alta porosidade e ser capazes de absorver o líquido na estrutura dos poros através da ação capilar, que é uma das razões centrais pelas quais a sílica especial ZLSIL™ se tornou um excelente auxiliar de fluxo para sistemas de pó úmido com suas características de alta porosidade. No entanto, as condições de mistura afetarão diretamente o desempenho do auxiliar: se os aglomerados de sílica forem excessivamente despolimerizados para o nível submicrométrico, a estrutura dos poros será destruída e a capacidade de absorção será muito reduzida. Em outras palavras, a dispersão fina que pode melhorar a eficiência do auxiliar em sistemas de pó seco, na verdade, reduzirá a eficiência do auxiliar em sistemas de pó úmido.
Portanto, para sistemas de pó úmido, produtos de sílica com alta porosidade e maior estabilidade mecânica são mais adequados. A Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. desenvolveu uma variedade de sílicas especiais ZLSIL™ diferenciadas e produtos de sílica pirogênica ZLCSIL™ para este cenário, que podem corresponder com precisão às necessidades de modificação de fluxo de diferentes pós base.
Um experimento controlado usando uma mistura úmida de cloreto de sódio como pó hospedeiro mostrou que o sistema de sal úmido em si tinha uma fluidez extremamente pobre, com um grau de fluxo de 7 medido pelo método do funil. Após a adição de 0,6% de ZLSIL™ 22 S ou ZLSIL™ 50 S, a fluidez do sistema pôde ser aumentada para o grau de fluxo 2 em 1 minuto de mistura. No entanto, com a extensão do tempo de mistura, a sílica foi superdispersa, a porosidade foi reduzida e a fluidez do sistema deteriorou-se novamente. Dependendo da intensidade da mistura, o efeito de sobre-mistura do ZLSIL™ 22 S poderia ocorrer em poucos minutos, enquanto o ZLSIL™ 50 S poderia manter alta eficiência por um longo tempo sem falha de desempenho devido ao tempo de mistura estendido. Ao mesmo tempo, o experimento confirmou que reduzir a força de cisalhamento e diminuir a velocidade e intensidade da mistura poderia estender significativamente o tempo de ação efetivo do ZLSIL™ 22 S.
Os líquidos que causam a aderência de pós podem ser divididos em categorias à base de água e à base de óleo. Para sistemas líquidos à base de água, além de melhorar a fluidez pela absorção de líquido, a sílica hidrofóbica também pode ser usada para modificação eficiente, que provou ser um auxiliar de fluxo especial de alta eficiência para substâncias higroscópicas. A sílica hidrofóbica não absorve a película de água, mas suspende-se na película de água para manter uma distância estável entre as partículas e pode alcançar a melhoria da fluidez em um nível de adição menor, com sua eficiência não limitada por sua própria capacidade de absorção.
É importante notar que a sílica hidrofóbica também é sensível à mistura excessiva. Se for aplicada força de cisalhamento excessiva, o produto pode ser molhado pela água e perder seu efeito de modificação. Quanto mais forte a hidrofobicidade da sílica, menor a sensibilidade à mistura excessiva. O experimento controlado mostrou que, para o sistema de cloreto de sódio úmido, após a adição de 0,4% de ZLCSIL™ D 10 e ZLCSIL™ D 17 hidrofóbicos, a fluidez do sal pôde ser melhorada imediatamente. No entanto, após mistura prolongada, a fluidez do sistema deteriorou-se gradualmente devido à molhagem da sílica causada pela energia de cisalhamento excessiva. Dentre eles, o efeito de mistura excessiva do ZLCSIL™ D 17 pôde ocorrer em até 3 minutos, enquanto o ZLCSIL™ D 10 teve maior capacidade anti-mistura excessiva, podendo ser misturado por até 12 minutos na taxa de cisalhamento dada sem qualquer diminuição no efeito de modificação de fluxo.
O comportamento de despolimerização dos auxiliares de fluxo durante a mistura com o pó hospedeiro produz efeitos completamente diferentes em sistemas de pó seco e úmido:
1. Em sistemas de pó seco e duro, a despolimerização dos auxiliares de fluxo ajuda a cobrir de forma mais abrangente a superfície das partículas de pó hospedeiro, melhorando assim a eficiência de modificação da sílica como auxiliar de fluxo.
2. Em sistemas de pó úmido, a despolimerização excessiva dos auxiliares de fluxo destruirá a estrutura de poros da sílica, reduzirá a porosidade e, em seguida, enfraquecerá a eficiência de modificação da sílica como auxiliar de fluxo.
Com base nisso, processos de mistura diferenciados e modelos de sílica adequados precisam ser selecionados para diferentes tipos de sistemas de pó.
Pós de materiais macios como gorduras, ceras e emulsificantes são extremamente difíceis de manusear durante o manuseio e transporte. Especialmente durante o armazenamento a longo prazo ou transporte de longa distância, este tipo de pó é muito propenso a aglomeração severa; quando o produto é exposto a ambientes com flutuações de temperatura (como cenários de frete marítimo), o problema de aglomeração será ainda mais agravado. Portanto, auxiliares antiaglomerantes eficientes são essenciais para o transporte de longa distância e armazenamento a longo prazo deste tipo de pó.
Pós macios ou termoplásticos sofrerão deformação de partículas e, em seguida, aderirão uns aos outros quando a temperatura subir ou sob pressão. A sílica pode ser revestida uniformemente na superfície de partículas de pó macio para formar uma camada de isolamento e evitar que as partículas adiram umas às outras. No entanto, em comparação com sistemas de pó duro, para alcançar o efeito antiaglomerante ideal, especialmente o efeito antiaglomerante a longo prazo, é necessária uma quantidade maior de adição de sílica: geralmente a quantidade de adição de sílica em sistemas de pó macio pode chegar a 5%, enquanto sistemas de pó duro geralmente precisam apenas de uma quantidade de adição inferior a 1% para atender à demanda.
A razão principal é que parte do agente antiaglomerante pode penetrar na superfície de partículas de pó macio durante o armazenamento, resultando em uma redução da eficiência de isolamento da superfície. Somente adicionando uma quantidade suficiente de auxiliar antiaglomerante podemos garantir que haja auxiliar suficiente na superfície das partículas de pó macio continuamente para manter os efeitos de antiaglomeração e modificação de fluxo a longo prazo.
O processo de mistura desempenha um papel decisivo no desempenho final dos auxiliares de fluxo, e o equipamento de mistura e os parâmetros do processo precisam ser precisamente combinados de acordo com as características de diferentes sistemas de pó:
3. Para pós duros e secos, a intensidade de mistura deve ser alta o suficiente para despolimerizar completamente os aglomerados de sílica, obter cobertura uniforme do auxiliar na superfície do pó hospedeiro, e a mistura completa pode obter um melhor efeito de modificação de fluxo.
4. Para sistemas de pó úmido, a intensidade excessiva de mistura destruirá parcialmente a estrutura porosa da sílica, reduzindo assim seu desempenho antiaglomerante e de modificação de fluxo, portanto, um processo de mistura suave é necessário.
5. Para sistemas de pó macio, a intensidade de mistura precisa ser ajustada de acordo com as características de amolecimento e a força das partículas do pó, para evitar danos à estrutura das partículas do pó macio por força de cisalhamento excessiva, garantindo ao mesmo tempo a dispersão uniforme da sílica.
Os cenários aplicáveis de diferentes equipamentos de mistura são os seguintes:
• Misturador de tambor: pode fornecer um efeito de mistura extremamente suave, especialmente adequado para o processamento de pós ultra-macios.
• Misturador cônico (como o misturador Nauta): também possui características de mistura suaves, com dano mínimo às partículas do pó, mas requer um tempo de mistura mais longo.
1. Misturador de pás: o processo de mistura é suave e, ao mesmo tempo, pode alcançar uma excelente uniformidade de mistura em uma escala macro. É uma escolha ideal para pós macios e pós higroscópicos, e pode reter totalmente a estrutura de poros da sílica.
2. Misturador de corte de arado: energia de mistura mais alta, mas ainda suave o suficiente, não pressionará o auxiliar de fluxo na superfície de pós macios, adequado para muitos tipos diferentes de pós, com tempo de mistura necessário mais curto, que pode ser ajustado flexivelmente de acordo com as necessidades reais: o tempo de mistura pode ser encurtado para pós higroscópicos e estendido adequadamente para pós duros secos.
3. Ribbon blender: higher mixing intensity and large shear force, especially suitable for processing hard dry powders.
Para a modificação do fluxo de produtos spray-dried, existe um esquema especial de otimização de processo: separar a sílica da suspensão de matéria-prima e adicioná-la diretamente ao secador spray pode fazer com que a sílica se disperse uniformemente na superfície de novas partículas sob a ação do fluxo de ar quente, e evitar completamente os danos ao pó spray-dried causados por estresse mecânico, que é um esquema eficiente para a modificação do fluxo de tais produtos.
Dimensão Central | Pós Secos e Duros | Pós Úmidos e Duros | Pós Macios |
Tipo de Sílica Adequado | Sílica de fácil dispersão | Sílica de alta estabilidade mecânica e alta absorção | Sílica de fácil dispersão |
Nível de Adição Recomendado | Nível de adição baixo, geralmente ＜1% | Nível de adição ajustado flexivelmente de acordo com o conteúdo líquido do sistema | Nível de adição alto, até 5%, especialmente para sistemas com requisitos de antiaglomerante a longo prazo |
Requisitos do Processo de Mistura | Mistura completa de alta intensidade | Agitação suave de baixa cisalhamento | Mistura moderada: garantir a dispersão completa da sílica sem danificar a estrutura das partículas de pó macio |
Em aplicações industriais reais, os produtos em pó geralmente apresentam múltiplas características ao mesmo tempo. Por exemplo, pós de frutas e vegetais podem conter componentes duros e secos não higroscópicos, como amido, e componentes higroscópicos, como açúcares; o leite em pó pode conter lactose higroscópica e componentes macios à base de gordura. O comportamento de fluxo desses sistemas compostos integrará as características dos sistemas únicos na tabela acima de maneira complexa, portanto, soluções direcionadas precisam ser projetadas.
A Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. pode fornecer serviços exclusivos de seleção de produtos e otimização de processos de acordo com as características específicas do material e cenários de aplicação do cliente, e fornecer suporte técnico completo e orientação de aplicação para os produtos das séries ZLSIL™, ZLCSIL™, ZQSIL™ para os clientes durante todo o processo.
Zhongqi (Shandong) Silicon Materials Co., Ltd. Especializada em P&D, produção e vendas de sílica de alta qualidade para excipientes alimentícios e farmacêuticos. Marcas principais: ZLSIL™, ZLXIDE™, ZLCSIL™. Os produtos atendem aos padrões globais de grau alimentício, fornecendo soluções de formulação de alto desempenho e em conformidade para empresas globais de alimentos e produtos farmacêuticos.
Suporte técnico de processo completo e serviços personalizados disponíveis em nossa sede e base de produção.
Contato: Tel +86 53188737397 | E-mail Levin@silicaplant.com
Documentos técnicos e suporte de aplicação disponíveis mediante solicitação.
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