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使用 ZLSIL™ 和 ZLCSIL™ 特種二氧化矽解決方案增強粉末流動性
創建於 05.17
ZLSIL™ 特種二氧化矽與 ZLCSIL™ 氣相二氧化矽作為助流劑及抗結塊劑技術手冊
粉末原料廣泛且日益增長地應用於食品、製藥、化工、建材等眾多行業。優異的流動性是精確粉末處理、順暢筒倉卸料和精準計量的核心先決條件。然而，許多粉末本質上具有高度的內聚性，難以處理。同時，受環境濕度、溫度、壓力等氣候或操作條件的影響，大多數粉末在儲存或運輸過程中極易結塊，進一步增加了應用的難度。
為了解決這些行業痛點，中旗（山東）矽材料有限公司研發的ZLSIL™特種二氧化矽和ZLCSIL™氣相二氧化矽系列產品，可作為高效流動助劑和抗結塊劑。它們針對並解決了各種粉體系統中流動性差、易結塊的問題，為粉體產品的加工、儲存和運輸提供全流程穩定保障。
為了準確表徵粉體的流動行為，行業內通常採用多種標準化測試方法，核心方法如下：
這是表徵粉末流動性的一種經典方法。粉末透過篩網均勻地落下，堆積在金屬圓筒頂部，粉末會自然形成一個圓錐體。當顆粒落在圓錐體上時，它們會根據圓錐角度和顆粒黏度而黏附或滾動。隨著顆粒不斷堆積，圓錐體會變得越來越陡峭，直到重力超過顆粒間的內聚力，最終形成一個具有固定高度和斜率的圓錐體。透過測量圓錐體的高度或斜率的角度，可以獲得粉末的「休止角」。顆粒黏度越強，休止角數值越高，粉末流動性越差。反之，較低的休止角則代表較好的粉末流動性。
這是一種用於粉末流動性的快速測試方法，可使用一系列不同出口直徑的玻璃漏斗來完成。有兩種核心測試模式：一種是判斷粉末是否能從對應口徑的漏斗中不間斷地流出，從而判斷流動性等級；另一種是測量粉末通過特定出口直徑漏斗的總時間。時間越短，粉末流動性越好。
這是一種較為靈敏且易於操作的測試方法。測試時，將粉末倒入篩網組（最上層為最大孔徑篩網），並對篩網組進行固定時間的振動。粉末會根據其自身的流動特性沉降到較低的篩網上。如果粉末的凝聚力極強，大部分物料將會殘留在最上層的篩網上。粉末的流動性越好，通過篩網並沉降的物料量就越大，最終落入篩網底盤的物料比例也就越高。振動後，稱量每一層篩網上的殘留物質量，將各層的質量乘以對應篩網的係數並加總，最終結果即為粉末流動性的定量測量值。
此方法具有更精密的測試程序，測試數據可準確計算筒倉的設計尺寸，以確保粉體順暢排出。根據 Jenike 的經典理論，壓實應力與散裝物料強度之比 ffc 被定義為粉體流動性。Schultze 提出的環形剪切盒也廣泛應用於工業界，作為經典剪切盒的優化解決方案，進一步提高測試準確性。
根據 Zimmermann 等學者的研究，拉伸強度測試是量化粉末在低密度狀態下內聚力的核心方法。測試過程中，帶有薄層凡士林薄膜的探針接觸粉末的平坦表面，並以恆定速度提起。高靈敏度拉伸強度測試儀會記錄將上層粉末與下層粉末分離所需的力。力值越小，粉末內聚力越低，流動性越好。3 助流劑的作用機理
所有粉末顆粒通過范德華力相互粘附。對於超細顆粒，范德華力的作用遠大於促進顆粒分離和粉末流動的重力，這是細粉通常流動性差的核心原因。
助流劑本身是極細粒徑的粉末材料，可均勻塗佈在載體粉末顆粒表面，增加顆粒的表面粗糙度，而表面粗糙度的增加可顯著降低兩粉末顆粒間的吸引力。ZLSIL™ 特殊二氧化矽和 ZLCSIL™ 氣相二氧化矽能完美貼合並覆蓋載體粉末顆粒表面，有效隔離顆粒間的交互作用力，大幅降低顆粒間的吸引力，這也是其作為高效助流劑及抗結塊劑的核心優勢。
在本手冊中，"結塊"專指由於長期儲存，粉末的流動性隨時間持續下降，甚至在極端情況下形成整體凝固塊的現象。相應的"抗結塊劑"指的是一種流動輔助產品，能在長期儲存期間持續保持良好的粉末流動性。
為了在低添加量下達到最佳的流動性改善效果，助流劑必須在載體粉末表面實現細緻分散。ZLSIL™ 特殊二氧化矽和 ZLCSIL™ 氣相二氧化矽可透過簡單的混合製程輕鬆達成此細緻分散，並與犁刀式混合機、槳葉式混合機或帶式混合機等混合設備相容。
ZLSIL™ 及 ZLCSIL™ 產品的不同型號具有差異化的分散特性。德國維爾茨堡大學的 Zimmermann 教授團隊對此效應進行了深入研究。在實驗中，以玉米澱粉作為模型基質，並將不同型號的 ZLSIL™ 及 ZLCSIL™ 產品，以及業界標準的三鈣磷酸鹽 (TCP) 流動助劑，與玉米澱粉混合，並使用 Turbula® 混合機進行不同時間的混合。最後，透過拉伸強度測試評估系統的流動性。
實驗結果顯示，短時間混合後，所有測試的流動助劑均能顯著改善玉米澱粉的流動性，其中 ZLSIL™ D 17 等疏水性產品的改善效果尤為突出。然而，當混合時間過長時，體系的流動性會再次下降。其核心原因是流動助劑在玉米澱粉表面過度分散，導致顆粒表面粗糙度降低，流動改性效果喪失。
濕粉流動性差的核心原因是粉末顆粒表面存在的液膜（液體可以是水、水溶液或油）將顆粒結合在一起。助流劑可透過吸收顆粒表面的液膜來改善流動性。
為了達到高效的液體吸收，助流劑必須具有高孔隙率，並能透過毛細作用將液體吸入孔隙結構中。這也是 ZLSIL™ 特殊二氧化矽憑藉其高孔隙率特性，成為濕粉體系統優良助流劑的核心原因之一。然而，混合條件將直接影響助流劑的性能：若二氧化矽的團聚體被過度解聚至次微米級別，孔隙結構將被破壞，吸收能力將大幅降低。換句話說，在乾粉體系統中能提高助流劑效率的細分散，反而會降低其在濕粉體系統中的效率。
因此，對於濕粉體系，高孔隙率、機械穩定性更強的二氧化矽產品更為適用。中旗（山東）矽材料有限公司針對此場景開發了多款差異化的ZLSIL™沉澱二氧化矽和ZLCSIL™氣相二氧化矽產品，可精準匹配不同基粉的流變改性需求。
一項使用濕潤氯化鈉混合物作為載體粉末的對照實驗顯示，濕潤鹽系統本身流動性極差，以漏斗法測得的流動等級為 7。添加 0.6% 的 ZLSIL™ 22 S 或 ZLSIL™ 50 S 後，系統的流動性可在混合 1 分鐘內提高至流動等級 2。然而，隨著混合時間的延長，二氧化矽會過度分散，孔隙率降低，系統的流動性再次惡化。根據混合強度，ZLSIL™ 22 S 的過度混合效應可能在幾分鐘內發生，而 ZLSIL™ 50 S 則能長時間保持高效，且不會因混合時間延長而導致性能失效。同時，實驗證實降低剪切力、減小混合速度和強度，可以顯著延長 ZLSIL™ 22 S 的有效作用時間。
導致粉體結塊的液體可分為水性與油性兩大類。對於水性液體系統，疏水性二氧化矽除了透過吸附液體來改善流動性外，亦可進行高效改質，已被證實是吸濕性物質的特殊高效流動助劑。疏水性二氧化矽不會吸附水膜，而是懸浮於水膜上，維持粒子間的穩定距離，並能在較低的添加量下達到流動性改善，其效率不受自身吸附能力的限制。
需要注意的是，疏水性二氧化矽也對過度混合敏感。如果施加過大的剪切力，產品可能會被水潤濕並失去其改性效果。二氧化矽的疏水性越強，對過度混合的敏感度就越低。對照實驗表明，在潮濕的氯化鈉體系中，添加 0.4% 的疏水性 ZLCSIL™ D 10 和 ZLCSIL™ D 17 後，鹽的流動性可立即得到改善。然而，長時間混合後，由於過度剪切能量導致二氧化矽被潤濕，體系流動性逐漸惡化。其中，ZLCSIL™ D 17 的過度混合效應可能在 3 分鐘內發生，而 ZLCSIL™ D 10 具有更強的抗過度混合能力，在給定的剪切速率下可混合長達 12 分鐘，而流動改性效果沒有任何下降。
助流劑在與主粉混合時的解聚行為，在乾粉和濕粉系統中會產生完全不同的效果：
1. 在乾燥的硬粉體系統中，助流劑的解聚有助於更全面地覆蓋主粉體顆粒的表面，從而提高二氧化矽作為助流劑的改質效率。
2. 在潮濕的粉體系統中，助流劑過度的解聚會破壞二氧化矽的孔隙結構，降低孔隙率，進而削弱二氧化矽作為助流劑的改質效率。
基於此，需要針對不同類型的粉體系統選擇差異化的混合工藝和合適的二氧化矽型號。
諸如脂肪、蠟質和乳化劑等軟性材料的粉末在處理和運輸過程中極難操作。特別是在長期儲存或長途運輸期間，這類粉末非常容易發生嚴重的結塊；當產品暴露於溫度波動的環境中（例如海運情境）時，結塊問題將會進一步加劇。因此，高效的抗結塊助劑對於這類粉末的長途運輸和長期儲存至關重要。
軟性或熱塑性粉末在溫度升高或壓力作用下，會發生顆粒變形並互相黏附。二氧化矽可均勻塗佈於軟性粉末顆粒表面，形成隔離層，防止顆粒互相黏附。然而，與硬質粉末系統相比，為了達到理想的抗結塊效果，尤其是長期的抗結塊效果，需要較高的二氧化矽添加量：通常軟性粉末系統的二氧化矽添加量可高達 5%，而硬質粉末系統通常僅需低於 1% 的添加量即可滿足需求。
核心原因是部分抗結塊劑在儲存過程中可能滲透到軟粉末顆粒的表面，導致表面隔離效率降低。只有通過添加足夠的抗結塊助劑，我們才能確保足夠的助劑持續留在軟粉末顆粒的表面，以維持長期的抗結塊和流動改性效果。
混合過程對流動助劑的最終性能起決定性作用，混合設備和工藝參數需要根據不同粉體體系的特性進行精確匹配：
3. 對於乾燥硬質粉體，混合強度必須足夠高，才能充分解聚二氧化矽的團聚體，實現助劑在載體粉體表面的均勻包覆，充分混合可獲得較好的流動改性效果。
4. 對於濕性粉體體系，過高的混合強度會部分破壞二氧化矽的孔隙結構，從而降低其抗結塊和流動改性性能，因此需要溫和的混合工藝。
5. 對於軟性粉體體系，混合強度需要根據粉體的軟化特性和顆粒強度進行調整，以避免過大的剪切力損壞軟性粉體的顆粒結構，同時保證二氧化矽的分散均勻。
不同混合設備的適用場景如下：
• 翻轉混合機：可以提供極為溫和的混合效果，特別適合超柔軟粉末的加工。
• 錐形混合機（如Nauta混合機）：也具有溫和的混合特性，對粉末顆粒的損傷最小，但需要更長的混合時間。
1. 槳式混合機：混合過程溫和，同時可以在宏觀尺度上實現優秀的混合均勻性。它是柔軟粉末和吸濕粉末的理想選擇，並且可以充分保留二氧化矽的孔隙結構。
2. 犁刀剪切混合機：混合能量較高，但仍然足夠溫和，不會將流動助劑壓入柔軟粉末的表面，適合許多不同類型的粉末，所需的混合時間較短，可以根據實際需求靈活調整：對於吸濕粉末可以縮短混合時間，對於乾硬粉末則可以適當延長。
3. 帶式混合機：更高的混合強度和大剪切力，特別適合處理硬質乾粉。
對於噴霧乾燥產品的流動性改良，有一個特殊的工藝優化方案：將二氧化矽從原料漿中分離出來，並直接添加到噴霧乾燥機中，可以使二氧化矽在熱氣流的作用下均勻分散在新顆粒的表面，並完全避免機械應力對噴霧乾燥粉末造成的損害，這是一個高效的流動性改良方案。
核心尺寸 | 乾燥硬質粉末 | 濕潤硬質粉末 | 軟性粉體 |
適用二氧化矽類型 | 易分散二氧化矽 | 高機械穩定性、高吸附性二氧化矽 | 易分散二氧化矽 |
建議添加水平 | 低添加水平，通常＜1% | 根據系統的液體含量靈活調整添加水平 | 高添加水平，最高可達5%，特別適用於有長期抗結塊要求的系統 |
混合製程要求 | 高強度全混合 | 低剪切溫和攪拌 | 中度混合：確保二氧化矽充分分散，同時不損壞軟粉顆粒結構 |
在實際的工業應用中，粉末產品常同時具有多種特性。例如，果蔬粉可能同時含有澱粉等堅硬乾燥的非吸濕性成分，以及糖類等吸濕性成分；奶粉可能同時含有吸濕性的乳糖和脂肪基的軟性成分。這些複合體系的流動行為將以複雜的方式整合上述表格中單一體系的特性，因此需要設計有針對性的解決方案。
中旗（山東）矽材料有限公司可根據客戶的具體材料特性及應用場景，提供專屬的產品選型及工藝優化服務，並為客戶在整個過程中提供ZLSIL™、ZLCSIL™、ZQSIL™系列產品的全程技術支持與應用指導。
中旗（山東）矽材料有限公司，專注於高端食品及藥用輔料級二氧化矽的研發、生產與銷售。核心品牌：ZLSIL™、ZLXIDE™、ZLCSIL™。產品符合全球食品級標準，為全球食品及製藥企業提供合規的高性能配方解決方案。
總部及生產基地提供全流程技術支援與客製化服務。
聯絡方式：電話 +86 53188737397 | 電郵 Levin@silicaplant.com
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