Стабильность в лаборатории, флокуляция на производстве: действительно ли виновата эта бочка с восковой эмульсией?

Бочка с восковой эмульсией простояла на складе полгода. Вы берете пробу, проводите тесты, и каждый показатель соответствует требуемым характеристикам.

Он был куплен как «стабильный продукт»: однородный на вид, без расслаивания и флокуляции. Даже по истечении срока хранения результаты испытаний остаются неизменными.

Но как только он попадает на производственную линию, все меняется.

Эмульсия добавляется в систему в заданном соотношении и начинается обработка под воздействием тепла и давления. Частицы эмульсии начинают сближаться, образуя более крупные агрегаты. Дисперсия становится неравномерной, и со временем появляются видимые хлопья. Появляются поверхностные дефекты, ставящие под угрозу качество всей партии.

Даже после чистки оборудования, замены материала и возобновления производства та же проблема возвращается на прежнее место.

Вы проводите расследование еще раз. Сама эмульсия проходит проверку, и существующая у вас рецептура работает без проблем долгое время.

Оба кажутся прекрасными сами по себе, так почему же на вашей производственной линии продолжает происходить флокуляция?

Почему эмульсия сама по себе стабильна, но в вашей системе образует флокуляты?

Восковая эмульсия – это не просто воск, растворенный в воде. Он состоит из крошечных частиц воска, рассеянных в среде на водной основе. Чтобы эти частицы распределялись равномерно, эмульгаторы создают вокруг них защитный слой, помогая предотвратить агрегацию.

Однако стабильность эмульсии зависит не только от самой эмульсии. Это также зависит от того, как частицы взаимодействуют друг с другом и могут ли они оставаться дисперсными после смешивания эмульсии с другими ингредиентами.

Первое, что нужно понять, это то, что флокуляция восковой эмульсии может иметь несколько разных причин.

Изменения концентрации электролита, колебания pH, несовместимость эмульгаторов и других добавок, изменения температуры и сдвиг при обработке — все это может повлиять на стабильность эмульсии. Выявление фактической причины требует системного анализа и контролируемых сравнительных испытаний.

В этом случае компания Rallychem посредством сравнительного тестирования подтвердила, что электролиты в рецептуре заказчика были ключевым фактором потери стабильности эмульсии. Чтобы понять почему, нам сначала нужно посмотреть, как частицы эмульсии остаются диспергированными.

1. Почему частицы эмульсии не слипаются вместе?

Для анионных и катионных восковых эмульсий электростатическое отталкивание между частицами часто является важным механизмом стабилизации.

Частицы в анионной эмульсии обычно несут отрицательный поверхностный заряд, тогда как частицы в катионной эмульсии обычно несут положительный поверхностный заряд. Частицы с одинаковым типом заряда отталкиваются друг от друга, что затрудняет их сближение и агрегацию.

Думайте об этом отталкивании как о невидимом «барьере» между частицами. Пока барьер остается эффективным, частицы могут сохранять определенное расстояние и оставаться рассеянными.

Но этот барьер не фиксирован. Определенные ингредиенты в рецептуре клиента могут изменить ионную среду вокруг частиц и ослабить электростатическое отталкивание, которое удерживает их друг от друга.

2. Откуда берутся электролиты и почему они влияют на стабильность эмульсии?

Электролиты – это вещества, образующие ионы при растворении в воде.

Они не обязательно происходят из соли, добавленной непосредственно в рецептуру. Они могут уже присутствовать в системе клиента. Общие источники включают в себя:

Технологическая вода: Ионы кальция и магния в жесткой воде могут повлиять на стабильность эмульсии.

Кислоты, щелочи и регуляторы pH: Они могут изменить ионную среду. Для эмульсий, стабилизированных ионизируемыми группами, изменения pH также могут изменить поверхностный заряд частиц.

Смолы, наполнители и другие добавки: Определенное сырье может содержать растворимые соли, ионные компоненты или другие вещества, влияющие на стабильность эмульсии.

Примеси в других ингредиентах: Электролиты или другие дестабилизирующие вещества могут попасть в систему вместе с сырьем, даже если электролиты не добавляются намеренно.

Эти вещества не вызывают автоматически флокуляцию. Их эффекты зависят от их типа и концентрации, а также от того, как они взаимодействуют с существующей системой эмульгаторов.

Когда ионная сила системы увеличивается, ионы влияют на распределение заряда вокруг частиц. Это может сжать двойной электрический слой вокруг их поверхностей, уменьшая эффективный диапазон электростатического отталкивания.

В некоторых системах многовалентные ионы могут также взаимодействовать с заряженными группами на поверхности частиц, еще больше снижая стабильность.

В результате частицы, которые раньше оставались отдельно, теперь могут легче сближаться друг с другом. Когда сил отталкивания становится недостаточно для предотвращения агрегации, может произойти флокуляция.

Это была ключевая проблема в случае с нашим клиентом: восковая эмульсия сама по себе была стабильной, но после попадания в рецептуру клиента ионная среда изменилась, и исходного механизма стабилизации уже было недостаточно для поддержания дисперсии.

3. Чем отличаются неионогенные, анионные и катионные восковые эмульсии?

Различные типы эмульсий используют разные механизмы стабилизации. В результате их реакция на электролиты и другие ингредиенты рецептуры может различаться.

Анионные восковые эмульсии

Частицы обычно несут отрицательный поверхностный заряд и полагаются на электростатическое отталкивание, а также на любые другие имеющиеся механизмы стабилизации, чтобы предотвратить агрегацию. Когда ионная сила увеличивается, эффективный диапазон электростатического отталкивания может уменьшаться. Многовалентные ионы, такие как кальций и магний, также могут взаимодействовать с определенными анионными группами. Поэтому качество воды, концентрация электролита и pH являются важными факторами для изучения.

Катионные восковые эмульсии

Частицы обычно несут положительный поверхностный заряд, на них также могут влиять ионная сила и pH. Если в составе присутствуют анионные добавки, может произойти нейтрализация заряда или образование комплекса, что может привести к агрегации частиц. Фактический эффект зависит от свойств и пропорций ингредиентов, а также порядка их добавления.

Неионогенные восковые эмульсии

Они обычно меньше полагаются на электростатическое отталкивание. Вместо этого гидратированные цепи эмульгатора могут обеспечить стерическую стабилизацию, помогая предотвратить прямой контакт и агрегацию частиц.

Поэтому неионогенные эмульсии могут быть менее чувствительны к определенным изменениям электролита, но это не делает их универсально стабильными. Соли, температура, гидратация эмульгатора и совместимость с другими добавками могут по-прежнему влиять на их стабильность.

Не существует простого правила, согласно которому один тип ионов всегда более стабилен, чем другой. Имеет значение конкретная структура эмульгатора, свойства воска и совместимость эмульсии с рецептурой клиента.

4. Почему флокуляция может стать более выраженной во время термической обработки?

Во время лабораторных испытаний эмульсию обычно хранят в относительно мягких условиях. Однако на производственной линии он сталкивается с другой комбинацией сырья и условий обработки.

Нагревание увеличивает движение частиц и частоту столкновений. Это также может изменить состояние гидратации эмульгатора, его способность защищать границу раздела частиц и свойства самой эмульсии. Фактический эффект зависит от типа эмульгатора, состава и температурного диапазона.

Давление само по себе не обязательно дестабилизирует эмульсию. Однако производственные процессы под давлением часто включают в себя изменения потока, сдвига и локальных температур. Эти условия могут влиять на взаимодействие частиц и дисперсионное состояние системы.

Когда электролиты уже ослабили первоначальный механизм стабилизации, нагревание и обработка могут еще больше повлиять на агрегацию частиц, делая флокуляцию более вероятной или более выраженной.

Именно поэтому внешнего вида эмульсии при хранении недостаточно для определения ее пригодности для производства.

Стабильность при хранении означает, что эмульсия остается стабильной при определенных условиях хранения. Стабильность применения означает, что он может сохранять подходящую дисперсию после ввода в рецептуру клиента и прохождения реальных условий обработки. Это не одно и то же.

Потенциальный процесс флокуляции можно резюмировать следующим образом:

В эмульсию поступают электролиты по рецептуре заказчика.

↓

Ионная среда вокруг частиц меняется.

↓

Эффективный диапазон электростатического отталкивания уменьшается, что снижает стабильность частиц.

↓

Нагревание и фактические условия обработки дополнительно влияют на агрегацию частиц.

↓

Частицы агрегируют и образуют хлопья, потенциально вызывая дефекты поверхности готового продукта.

В этом случае восковая эмульсия не обязательно испортилась во время хранения. Скорее, система стабилизации, которая сама по себе поддерживала его стабильность, не могла адекватно противостоять электролитной среде рецептуры заказчика.

Так как же можно справиться с этим типом флокуляции?

Как Rallychem помог решить проблему клиента?

1. Сначала проверьте эмульсию, чтобы выявить возможные причины.

Компания Rallychem начала с тестирования самой восковой эмульсии. Лазерный анализатор размера частиц использовался для измерения распределения частиц по размерам, а анализатор дзета-потенциала оценивал характеристики поверхностного заряда частиц. Для оценки кислотности или щелочности и ионной среды системы использовали pH-метр и кондуктометр. Также оценивалась стабильность при хранении.

Результаты показали, что исходный образец оставался стабильным в условиях лабораторных испытаний, без каких-либо явных отклонений.

Затем мы добавили восковую эмульсию в рецептуру клиента и сравнили образцы до и после смешивания и нагревания, используя тот же анализатор размера частиц для последующих измерений.

Результаты показали, что после нагревания распределение частиц по размерам стало заметно шире, что свидетельствует об агрегации частиц.

Это указывало на то, что проблему нельзя объяснить просто исходным состоянием эмульсии. Требовалось дальнейшее расследование, чтобы понять, что произошло после того, как вирус попал в систему клиента.

2. Используйте сравнительные тесты для определения ключевых факторов.

Затем компания Rallychem провела контролируемые испытания, варьируя среду электролита и температуру обработки.

Результаты подтвердили, что электролиты в рецептуре заказчика были ключевым фактором снижения стабильности эмульсии, а нагревание еще больше влияло на агрегацию частиц.

Оригинальная система эмульгаторов могла сама по себе поддерживать стабильность восковой эмульсии, но она не была достаточно совместима с электролитной средой рецептуры заказчика. В результате частицы агрегировались и происходила флокуляция.

Это объясняет, почему эмульсия прошла самостоятельное тестирование, но стала нестабильной после смешивания: сама эмульсия не выявила очевидных первоначальных отклонений, но ее исходная система стабилизации не смогла адекватно адаптироваться к ионной среде рецептуры клиента.

3. Настройте систему эмульгатора для решения реальной проблемы.

После того как ключевые факторы были определены, Rallychem скорректировала комбинацию и пропорции эмульгатора, исходя из свойств воска, электролитной среды рецептуры клиента и температуры обработки.

Целью было улучшить совместимость эмульсии с реальными условиями применения, а не просто увеличить количество эмульгатора.

Используя наши лабораторные возможности для приготовления эмульсий, анализа размера частиц и измерения зета-потенциала, мы подготовили и сравнили различные рецептуры, чтобы определить более подходящую систему эмульгатора для применения клиента.

4. Смоделируйте условия обработки и проверьте улучшение.

Затем оптимизированную восковую эмульсию снова добавляли в рецептуру клиента и тестировали при заданной температуре и соответствующих условиях обработки.

Последующие измерения показали, что агрегация частиц улучшилась, изменения в распределении частиц по размерам лучше контролировались, а состояние дисперсии было более стабильным, чем в исходном составе.

Объединив анализ размера частиц, сравнительное тестирование системы и моделирование обработки, компания Rallychem вышла за рамки проверки стабильности только эмульсии и перешла к оценке ее совместимости со всей рецептурой.

Такой подход помог заказчику сократить повторные испытания материалов и дорогостоящие производственные испытания.

Ваша восковая эмульсия стабильна сама по себе, но флокулирует, как только вы добавляете ее в систему?

Не ждите, пока в смесительном резервуаре флокулируется еще одна партия.

Отправьте Rallychem тип воска или эмульсии, которую вы используете в настоящее время, вашу систему рецептуры, условия обработки (температура, давление и время), а также подробную информацию о том, где и как происходит флокуляция.

Мы поможем выяснить причину, определить ключевые факторы, влияющие на стабильность эмульсии, при необходимости отрегулировать систему эмульгатора и проверить результаты посредством тестирования.

Сократите затраты на повторные испытания и производственные испытания и помогите вашей восковой эмульсии надежно работать в вашей реальной производственной системе.

Столкнулись с проблемой флокуляции? Свяжитесь с технической командой Rallychem, и давайте вместе найдем решение.

Раллихем | От восковых добавок до технической поддержки местного производства восковой эмульсии.