امولسیون موم جدا می شود؟ 5 دلیل پشت بی ثباتی و نحوه رفع آنها

نمای کلی مکانیزم مهندسی و فرمولاسیون

هنگامی که یک درام امولسیون موم در انبار قرار می گیرد یا وارد یک پوشش پایه آب، جوهر یا حمام تکمیل نساجی می شود، عیب های کمی تولید را سریعتر از جداسازی فاز مختل می کند. گاهی اوقات یک حلقه کرم ضخیم در بالای درام تشکیل می شود. در موارد دیگر، کشک ریز یا رسوب سخت در ته مخزن مخلوط ظرف چند ساعت پس از رها شدن می‌نشیند.

چیزی که جداسازی را برای مهندسان فرمولاسیون ناامیدکننده می کند این است که یک دسته می تواند بررسی های اولیه دریافتی (محتوای جامدات، pH و ظاهر اولیه) را انجام دهد و هفته ها بعد در انبار یا درست پس از ترکیب با رزین ها و رنگدانه ها جدا شود. حل مشکل ریشه ای مستلزم نگاه کردن به علائم سطحی است تا مشخص شود که آیا شکست در فرآیند امولسیون سازی منشأ می گیرد یا در تعامل شیمیایی بین امولسیون و فرمول پایین دست شما.

چرا امولسیون موم من ناپایدار است؟ 5 علت اصلی

امولسیون موم زمانی ناپایدار می شود که گرانش یا شوک های شیمیایی بر موانع الکترواستاتیک و فضایی که ذرات موم پراکنده را از هم دور نگه می دارند غلبه کند. پنج دلیل اصلی عبارتند از توزیع اندازه ذرات گسترده، عدم تطابق بین موم و سیستم امولسیفایر، شوک الکترولیت ناشی از یون های چند ظرفیتی، شوک pH و اثرات حلال در هنگام تخلیه، و تنش حرارتی در طول تولید، حمل و نقل و ذخیره سازی.

الف امولسیون موم بر پایه آب یک پراکندگی دو فازی ناپایدار ترمودینامیکی است. ذرات موم جامد یا نیمه جامد (معمولاً با قطر 50 نانومتر تا 1000 نانومتر) در یک فاز آب پیوسته توسط یک لایه جذب شده از سورفکتانت نگه داشته می شوند. هر زمان که این لایه محافظ ناقص باشد، فشرده شود یا از بین برود، ذرات یا به صورت عمودی مهاجرت می کنند یا با هم برخورد می کنند و ادغام می شوند.

علت 1: توزیع اندازه ذرات گسترده و خامه شدن بر اساس چگالی

بیشتر موم های پلی اتیلن (PE)، پلی اتیلن اکسید شده (OPE) و پلی پروپیلن چگالی بین 0.91 تا 0.99 گرم بر سانتی متر مکعب دارند که کمتر از چگالی آب (1.00 گرم بر سانتی متر مکعب) است. طبق قانون استوکس، سرعت افزایش یک ذره پراکنده با مجذور شعاع آن و با اختلاف چگالی ذره و آب متناسب است و با ویسکوزیته فاز پیوسته نسبت معکوس دارد. هرچه ذرات کوچکتر و یکنواخت تر باشند، آهسته تر بالا می روند.

• اگر یک امولسیون موم دارای توزیع اندازه ذرات زیر میکرون باریک باشد (به عنوان مثال، D50 زیر 150 نانومتر با D90 کاملاً کنترل شده)، حرکت براونی با گرانش مقابله می کند و پراکندگی می تواند برای مدت طولانی یکنواخت بماند.
• اگر برش در حین امولسیون سازی کافی نباشد و دمی از ذرات درشت بالای 1-2 میکرومتر باقی بماند، این ذرات خیلی سریع تر بالا می روند، ذرات کوچکتر را با خود به سمت بالا می برند و یک لایه کرم قابل مشاهده در بالا تشکیل می دهند.

علت 2: عدم تطابق بین موم و سیستم امولسیفایر

امولسیون کردن موم پلی اتیلن اکسید شده (OPE)، موم مونتان یا موم استر صرفاً با افزودن سورفکتانت بیشتر نیست. تعادل آبدوست-لیپوفیل (HLB) و ساختار مولکولی بسته امولسیفایر باید با مقدار اسید، ارزش صابونی شدن و کریستالی بودن موم مطابقت داشته باشد.

• لنگر بین سطحی ناکافی: اگر دم چربی دوست سورفکتانت میل ترکیبی ضعیفی با سطح موم داشته باشد، مولکول‌های سورفکتانت به تدریج در طول ذخیره‌سازی دفع می‌شوند و تکه‌های خالی بر روی ذرات موم باقی می‌مانند. ذرات با سطوح باز می توانند در هنگام برخورد با هم ادغام شوند.
• خنثی سازی ناقص: در امولسیون‌های موم OPE آنیونی که با KOH، NaOH یا آمین‌ها (مانند DMEA یا AMP-95) خنثی می‌شوند، نسبت خنثی‌سازی نادرست گروه‌های کربوکسیلیک اسید غیریونیزه‌شده را روی زنجیره موم باقی می‌گذارد. این باعث تضعیف بار سطحی مورد نیاز برای پایداری طولانی مدت می شود.

علت 3: شوک الکترولیتی ناشی از یون های چند ظرفیتی در سیستم پایین دست

بسیاری از امولسیون های موم در درام اصلی خود ثابت می مانند اما به محض افزودن به فرمولاسیون مشتری، لخته می شوند. مقصر اغلب قدرت یونی است.

• امولسیون موم آنیونی و کاتیونی تا حد زیادی به دافعه الکترواستاتیکی بین ذرات بستگی دارد. قدرت این دافعه معمولاً با پتانسیل زتا ارزیابی می شود.
• هنگامی که آب فرآیند سخت حاوی یون های کلسیم (Ca2+) یا منیزیم (Mg2+)، نمک های محلول از رنگدانه ها یا پرکننده ها، یا اتصال دهنده های عرضی حاوی یون های فلزی چند ظرفیتی وارد سیستم می شوند، می توانند لایه الکتریکی دوگانه را فشرده کنند یا پل های صابون فلزی نامحلول با گروه های کربوکسیلات آنیونی تشکیل دهند. این می تواند باعث لخته سازی سریع شود.

علت 4: شوک pH و اثرات حلال مشترک در طول فرمولاسیون کاهش می یابد

افزودن یک امولسیون موم آنیونی قلیایی (معمولاً pH 8.5-10.5) مستقیماً به یک پراکندگی اکریلیک یا پلی اورتان بدون بافر با pH کمتر (به عنوان مثال pH 6.0-7.0) شوک pH موضعی ایجاد می کند. با کاهش pH محلی، گروه‌های کربوکسیلات روی سطح موم می‌توانند دوباره پروتونه شوند، بنابراین قبل از اینکه ذرات به طور یکنواخت پراکنده شوند، بار سطحی کاهش می‌یابد.

به طور مشابه، سطوح بالای حلال‌های ادغام‌کننده یا گلیکول اترها (مانند بوتیل گلیکول یا DPM) که بدون رقیق‌سازی اولیه اضافه می‌شوند، می‌توانند تا حدی ذرات موم را متورم کنند یا سورفکتانت‌های اتوکسیله غیریونی را از سطح مشترک موم-آب جدا کنند.

علت 5: استرس حرارتی در طول تولید، حمل و نقل و ذخیره سازی

تاریخچه حرارتی بر نحوه جامد شدن قطرات موم و نحوه هیدراته شدن زنجیره های سورفکتانت تأثیر می گذارد.

• در راکتور: اگر خنک‌سازی پس از امولسیون‌سازی تحت فشار در محدوده تبلور موم بسیار کند باشد، یا اگر هم زدن قبل از اینکه دمای دسته به زیر نقطه انجماد موم کاهش یابد، متوقف شود، قطرات نرم و نیمه مذاب موم می‌توانند به دانه‌های درشت ذوب شوند.
• در حمل و نقل و ذخیره سازی: یخ زدن در زمستان می تواند به لایه تثبیت کننده آسیب برساند. کریستال‌های یخ ذرات موم را به سمت هم می‌برند و به مناطق متمرکز می‌روند و ممکن است لایه سورفکتانت را مختل کنند. نگهداری طولانی مدت در دمای بالا می تواند به نقطه ابری برخی از سورفکتانت های غیر یونی نزدیک شود، مانع فضایی آنها را کم آب کند و باعث ایجاد لایه بندی شود که به سختی قابل برگشت است.

عیب یابی ناپایداری امولسیون موم: شناسایی حالت شکست

برای عیب یابی ناپایداری، ابتدا تعیین کنید که آیا جداسازی با هم زدن ملایم برگشت پذیر است یا خیر. لایه بندی رویی برگشت پذیر معمولاً نشان دهنده کرم شدن بر اساس جاذبه است. کشک، افزایش ناگهانی ویسکوزیته یا رسوب سختی که دوباره پراکنده نمی شود به لخته شدن یا تجزیه لایه سطحی اشاره دارد.

قبل از تنظیم فرمول یا رد یک دسته مواد خام، از جدول زیر برای طبقه بندی نوع جداسازی استفاده کنید.

چگونه از جداسازی امولسیون موم در تولید و فرمولاسیون جلوگیری کنیم

جلوگیری از جداسازی مستلزم کنترل اندازه و توزیع ذرات در طول تولید، و محافظت از لایه سطحی در طول فرمولاسیون است. اقدامات کلیدی عبارتند از تطبیق نوع یونی سورفکتانت با سیستم بایندر، کنترل برش و خنک کردن، و تنظیم و بافر کردن pH قبل از مخلوط کردن.

در زیر اقداماتی که ما در تولید اعمال می‌کنیم، به دنبال آن توصیه‌هایی برای فرمول‌سازهایی که از امولسیون موم نهایی در پوشش‌ها، جوهرها و تکمیل پارچه استفاده می‌کنند، آمده است.

در تولید ما: چگونه فرآیند را کنترل می کنیم

1. دم ذرات درشت را از بین ببرید (کنترل D90): قبل از امولسیون شدن مطمئن می شویم که موم کاملا مذاب است. موم های با نقطه ریزش بالا ممکن است برای رسیدن به این دما به یک راکتور تحت فشار نیاز داشته باشند. در طول وارونگی فاز، ما برش کافی را حفظ می کنیم تا D90 به شدت کنترل شود، نه فقط اندازه متوسط ​​ذرات (D50).
2. بهینه سازی خنثی سازی و جفت شدن سورفکتانت: ما دوز KOH یا آمین را با مقدار واقعی اسید یا صابون سازی هر دسته موم اکسید شده مطابقت می دهیم. ترکیب یک امولسیفایر یونی اولیه با یک تثبیت کننده فضایی غیریونی ثانویه اغلب یک سد الکترواستاتیکی و فضایی دوگانه ایجاد می کند که هم در برابر گرانش و هم در برابر نوسانات خفیف الکترولیت مقاومت می کند.
3. منحنی خنک کننده را کنترل کنید: برای جلوگیری از شوک حرارتی موضعی از آب رقیق‌شده از قبل گرم شده استفاده می‌کنیم و تا زمانی که امولسیون به زیر نقطه تبلور مجدد موم برسد، تحت هم زدن مداوم کم برش خنک می‌شود.

برای فرمولاتورهای پایین دست (پوشش، جوهر، منسوجات و عوامل رهاسازی)

1. ابتدا سازگاری یونی را تأیید کنید: امولسیون موم کاتیونی را با پراکندگی اکریلیک آنیونی، پلی اورتان یا استایرن-اکریلیک مخلوط نکنید مگر اینکه سازگاری آن تایید شده باشد. برای سیستم‌های با الکترولیت بالا یا حمام‌های چند جزئی، امولسیون‌های موم آنیونی غیریونی یا استریکی تثبیت‌شده را در اولویت قرار دهید.
2. ترتیب افزودن و پیش رقیق شدن را کنترل کنید: امولسیون موم را در مرحله پایین آمدن نهایی و تحت هم زدن متوسط ​​اضافه کنید. از پراکندگی طولانی مدت با سرعت بالا یا همگن سازی با فشار بالا که می تواند لایه سورفکتانت را از طریق برش بیش از حد کنده کند، خودداری کنید. قبل از اضافه کردن امولسیون، pH دسته ای را تنظیم کنید و حلال ها یا عوامل ادغام کننده را از قبل رقیق کنید.
3. سختی آب فرآیند را بررسی کنید: اگر آب رقیق شما دارای سختی کلسیم یا منیزیم بالایی است، از آب دیونیزه استفاده کنید. مقدار کمی از عامل کیلیت را نیز می توان قبل از امولسیون موم آنیونی اضافه کرد، پس از تأیید اینکه بر فرمول شما تأثیر نمی گذارد.

چگونه می توان پایداری امولسیون موم را قبل از تولید در مقیاس کامل آزمایش کرد؟

برای تست پایداری امولسیون موم به طور قابل اعتماد، شتاب گریز از مرکز (حدود 1000-1800 × گرم برای 15-30 دقیقه)، پیری حرارتی 50 درجه سانتی گراد، ردیابی اندازه ذرات لیزری (D50/D90) و یک تست سازگاری با گرمایش 4 تا 24 ساعت فرمولاسیون هدف را ترکیب کنید.

تنها اتکا به بازرسی بصری یک نمونه تازه دلیل رایجی است که چرا دسته های ناپایدار به خط تولید می رسند. یک پروتکل QC قوی باید شامل چهار تست مکمل باشد:

1. تست پایداری شتاب گریز از مرکز: نمونه 50 میلی لیتری را در حدود 1000-1800 × گرم به مدت 15 تا 30 دقیقه سانتریفیوژ کنید. ارتفاع هر حلقه کرم بالایی یا لایه سرمی شفاف پایینی را اندازه بگیرید. سانتریفیوژ عمدتاً مقاومت در برابر جداسازی مبتنی بر جاذبه را آزمایش می کند. یک حلقه کرم قابل مشاهده نشان دهنده تمایل به جدا شدن است که ممکن است به دلیل توزیع اندازه ذرات گسترده یا ویسکوزیته پایین فاز پیوسته ایجاد شود.
2. پیری حرارتی (50 درجه سانتیگراد برای 7 تا 14 روز): ویال های شیشه ای مهر و موم شده را در دمای 50 درجه سانتیگراد نگهداری کنید تا پیری را تسریع کنید و وضعیت هیدراتاسیون سورفکتانت را در دمای نگهداری بالا آزمایش کنید. پس از خنک شدن در دمای اتاق، تغییر ویسکوزیته، افت pH و پوسته شدن سطح را بررسی کنید.
3. اندازه ذرات لیزری و آنالیز پتانسیل زتا: D50 (اندازه متوسط ​​ذرات) و D90/D99 را قبل و بعد از پیری حرارتی اندازه گیری کنید. امولسیون موم پایدار تغییر کمی در D90 خود نشان می دهد. دومین اوج در حال رشد در مقیاس میکرون، قبل از اینکه جدایی با چشم غیرمسلح قابل مشاهده باشد، در مورد تجمع یا ادغام اولیه هشدار می دهد. کاهش قابل توجه پتانسیل زتا نشان دهنده تثبیت الکترواستاتیک ضعیف تر است که به ویژه برای امولسیون های یونی آموزنده است.
4. غربالگری پایداری برنامه درون سیستمی: امولسیون موم را با دوز مورد نظر در رزین، رنگدانه و سیستم حلال اصلی خود مخلوط کنید، مخلوط را به مدت 4 تا 24 ساعت در دمای فرآوری خط خود نگه دارید و با استفاده از گیج آسیاب هگمن یا فیلم مرطوب در نمودارهای سیاه و شفاف لنتا، ریز لخته شدن را بررسی کنید.

چگونه SAMWAX به تشخیص و تثبیت سیستم امولسیون موم شما کمک می کند

چه در حال فرمول‌بندی پوشش‌های مبتنی بر آب، جوهر یا روکش‌های نساجی با کارایی بالا هستید، جداسازی فاز تکرارشونده به معنای ماه‌ها آزمون و خطای کور نیست.

در SAMWAX توسط Rallychem، آزمایشگاه کاربردی ما به کل زنجیره نگاه می کند، از قطبیت موم و ثبات ارزش اسید تا برش امولسیون و تحمل الکترولیت پایین دست:

• تشخیص های آزمایشگاهی علت ریشه ای: با استفاده از تجزیه و تحلیل اندازه ذرات لیزری، اندازه‌گیری پتانسیل زتا و آزمایش حرارتی و گریز از مرکز، ما کمک می‌کنیم تا مشخص کنیم که آیا جداسازی ناشی از ذرات درشت، دفع امولسیفایر یا شوک یونی در سیستم شماست.
• امولسیون سازی سفارشی و تطبیق درجه: از طریق ما خدمات سفارشی، مطابقت می کنیم موم پلی اتیلن اکسید شده و بسته‌های امولسیفایر را با pH و محیط یونی سیستم بایندر شما مطابقت داده است.
• اگر امولسیون موم شما همچنان در انبار جدا می شود یا در خط تولید لخته می شود، تیم فنی ما را ارسال کنید پارامترهای فرمول فعلی شما و علائم شکست. ما یک ارزیابی تشخیصی هدفمند انجام خواهیم داد.

سوالات متداول (سؤالات متداول)

1. آیا امولسیون موم جدا شده همچنان پس از هم زدن قابل استفاده است؟

اگر جداسازی صرفاً خامه‌ای گرانشی باشد (یک لایه رویی نرم که تحت اختلاط ملایم پارویی به یک مایع صاف و یکنواخت مجدداً پخش می‌شود و هیچ ریزه‌ای روی فیلتر باقی نمی‌ماند)، اغلب می‌توان از امولسیون استفاده کرد. با این حال، اگر کشک یا دانه های قابل مشاهده پس از هم زدن باقی بمانند، یا محصول ظرف چند ساعت دوباره جدا شود، ممکن است ادغام یا لخته سازی رخ داده باشد. در این صورت، توصیه می کنیم قبل از استفاده از دسته با تیم فنی ما تماس بگیرید.

2. چرا امولسیون موم من در درام ثابت می ماند اما وقتی با پوشش من مخلوط می شود جدا می شود؟

پایداری درام فقط نشان می دهد که امولسیون در سیستم سورفکتانت آب خود پایدار است. هنگامی که در یک پوشش مخلوط می‌شود، تغییر در pH، یون‌های فلزی دو ظرفیتی (Ca2+/Mg2+) از پرکننده‌ها یا آب سخت، سورفکتانت‌های یونی ناسازگار، یا سطوح بالای حلال‌های ادغام‌کننده می‌تواند لایه الکتریکی دوتایی را فشرده کند یا لایه سورفکتانت را از بین ببرد و منجر به لخته‌سازی در سیستم شود.

3. آیا اندازه ذرات کوچکتر همیشه پایداری بهتر امولسیون موم را تضمین می کند؟

توزیع اندازه ذرات کوچکتر و محکم تر، خامه شدن ناشی از جاذبه را به شدت کاهش می دهد. با این حال، ذرات ریزتر سطح کل بسیار بزرگتری دارند و به پوشش سورفکتانت بیشتری نیاز دارند. اگر دوز امولسیفایر یا تعادل HLB نتواند آن رابط بزرگتر را پوشش دهد، امولسیون های ریز همچنان می توانند در طول نگهداری گرم شده ضخیم یا ژل شوند.

SAMWAX توسط Rallychem | افزودنی های موم تخصصی و پشتیبانی فنی فرمولاسیون: از اعتبارسنجی آزمایشگاهی تا تولید انبوه قابل اعتماد.