Ổn định trong phòng thí nghiệm, kết tụ trong sản xuất: Trống nhũ tương sáp này có thực sự đáng trách không?

Một thùng nhũ tương sáp đã nằm trong kho được sáu tháng. Bạn lấy mẫu, chạy thử nghiệm và mọi chỉ báo đều đáp ứng các thông số kỹ thuật cần thiết.

Nó được mua dưới dạng “sản phẩm ổn định”: có hình thức đồng nhất, không có sự phân tách hoặc kết bông. Ngay cả sau thời gian bảo quản, kết quả kiểm tra vẫn không thay đổi.

Nhưng một khi nó được đưa vào dây chuyền sản xuất, mọi thứ sẽ thay đổi.

Nhũ tương được thêm vào hệ thống theo tỷ lệ quy định và quá trình xử lý bắt đầu dưới nhiệt độ và áp suất. Các hạt nhũ tương bắt đầu di chuyển gần nhau hơn, tạo thành các tập hợp lớn hơn. Sự phân tán trở nên không đồng đều và cuối cùng, các bông cặn xuất hiện. Các khuyết tật bề mặt phát triển, gây nguy hiểm cho chất lượng của toàn bộ lô.

Ngay cả sau khi vệ sinh thiết bị, thay thế vật liệu và bắt đầu lại sản xuất, vấn đề tương tự vẫn tái diễn.

Bạn điều tra lại đi. Bản thân nhũ tương đã vượt qua quá trình kiểm tra và công thức hiện tại của bạn đã hoạt động mà không gặp vấn đề gì trong một thời gian dài.

Bản thân cả hai đều có vẻ ổn—vậy tại sao hiện tượng kết tụ vẫn tiếp tục xảy ra trên dây chuyền sản xuất của bạn?

Tại sao nhũ tương tự ổn định nhưng lại kết bông trong hệ thống của bạn?

Nhũ tương sáp không chỉ đơn giản là sáp hòa tan trong nước. Nó bao gồm các hạt sáp nhỏ phân tán khắp môi trường gốc nước. Để giữ cho các hạt này được phân bố đều, chất nhũ hóa cung cấp một lớp bảo vệ xung quanh chúng, giúp ngăn ngừa sự kết tụ.

Tuy nhiên, độ ổn định của nhũ tương phụ thuộc vào nhiều thứ hơn là bản thân nhũ tương. Nó cũng phụ thuộc vào cách các hạt tương tác với nhau và liệu chúng có thể phân tán được sau khi nhũ tương được trộn với các thành phần khác hay không.

Điều đầu tiên cần hiểu là sự keo tụ nhũ tương sáp có thể có nhiều nguyên nhân khác nhau.

Những thay đổi về nồng độ chất điện phân, dao động pH, sự không tương thích giữa chất nhũ hóa và các chất phụ gia khác, thay đổi nhiệt độ và biến dạng trong quá trình xử lý đều có thể ảnh hưởng đến độ ổn định của nhũ tương. Việc xác định nguyên nhân thực tế đòi hỏi phải phân tích hệ thống và kiểm tra so sánh có kiểm soát.

Trong trường hợp khách hàng này, Rallychem đã xác nhận thông qua thử nghiệm so sánh rằng chất điện giải trong công thức của khách hàng là yếu tố chính gây mất độ ổn định của nhũ tương. Để hiểu lý do tại sao, trước tiên chúng ta cần xem xét các hạt nhũ tương vẫn phân tán như thế nào.

1. Tại sao các hạt nhũ tương không dễ dàng kết tụ lại với nhau?

Đối với nhũ tương sáp anion và cation, lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt thường là một cơ chế ổn định quan trọng.

Các hạt trong nhũ tương anion thường mang điện tích bề mặt âm, trong khi các hạt trong nhũ tương cation thường mang điện tích bề mặt dương. Các hạt có cùng loại điện tích sẽ đẩy nhau, khiến chúng khó đến gần và kết hợp hơn.

Hãy coi lực đẩy này như một “rào cản” vô hình giữa các hạt. Miễn là rào cản vẫn còn hiệu quả, các hạt có thể duy trì một khoảng cách nhất định và phân tán.

Nhưng rào cản này không cố định. Một số thành phần nhất định trong công thức của khách hàng có thể thay đổi môi trường ion xung quanh các hạt và làm suy yếu lực đẩy tĩnh điện khiến chúng tách rời nhau.

2. Chất điện giải đến từ đâu và tại sao chúng ảnh hưởng đến độ ổn định nhũ tương?

Chất điện giải là những chất khi hòa tan vào nước tạo thành ion.

Chúng không nhất thiết phải đến từ muối được thêm trực tiếp vào công thức. Họ có thể đã có mặt trong hệ thống của khách hàng. Các nguồn phổ biến bao gồm:

Xử lý nước: Các ion canxi và magie trong nước cứng có thể ảnh hưởng đến độ ổn định của nhũ tương.

Axit, kiềm và chất điều chỉnh pH: Những thứ này có thể thay đổi môi trường ion. Đối với nhũ tương được ổn định bởi các nhóm ion hóa, sự thay đổi độ pH cũng có thể làm thay đổi điện tích bề mặt của các hạt.

Nhựa, chất độn và các chất phụ gia khác: Một số nguyên liệu thô có thể chứa muối hòa tan, thành phần ion hoặc các chất khác ảnh hưởng đến độ ổn định của nhũ tương.

Tạp chất trong các thành phần khác: Chất điện giải hoặc các chất gây mất ổn định khác có thể xâm nhập vào hệ thống cùng với nguyên liệu thô, ngay cả khi không cố tình thêm chất điện giải vào.

Những chất này không tự động gây ra hiện tượng keo tụ. Tác dụng của chúng phụ thuộc vào loại và nồng độ cũng như cách chúng tương tác với hệ thống chất nhũ hóa hiện có.

Khi cường độ ion của một hệ thống tăng lên, các ion sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố điện tích xung quanh các hạt. Điều này có thể nén lớp điện kép xung quanh bề mặt của chúng, làm giảm phạm vi lực đẩy tĩnh điện hiệu quả.

Trong một số hệ thống, các ion đa hóa trị cũng có thể tương tác với các nhóm tích điện trên bề mặt hạt, làm giảm thêm độ ổn định.

Kết quả là, các hạt trước đây ở cách xa nhau giờ đây có thể tiếp cận nhau dễ dàng hơn. Một khi lực đẩy không còn đủ để ngăn chặn sự kết tụ thì quá trình keo tụ có thể xảy ra.

Đây là vấn đề chính trong trường hợp khách hàng của chúng tôi: nhũ tương sáp tự ổn định, nhưng sau khi đưa vào công thức của khách hàng, môi trường ion đã thay đổi và cơ chế ổn định ban đầu không còn đủ để duy trì sự phân tán.

3. Nhũ tương sáp không ion, anion và cation khác nhau như thế nào?

Các loại nhũ tương khác nhau dựa vào cơ chế ổn định khác nhau. Kết quả là phản ứng của chúng với chất điện giải và các thành phần công thức khác có thể khác nhau.

Nhũ tương sáp anion

Các hạt thường mang điện tích bề mặt âm và dựa vào lực đẩy tĩnh điện, cùng với bất kỳ cơ chế ổn định nào khác hiện có, để ngăn chặn sự kết tụ. Khi cường độ ion tăng, phạm vi lực đẩy tĩnh điện hiệu quả có thể giảm. Các ion đa hóa trị như canxi và magie cũng có thể tương tác với một số nhóm anion nhất định. Do đó, chất lượng nước, nồng độ chất điện giải và độ pH là những yếu tố quan trọng cần điều tra.

Nhũ tương sáp cation

Các hạt thường mang điện tích bề mặt dương và cũng có thể bị ảnh hưởng bởi cường độ ion và độ pH. Nếu các chất phụ gia anion có mặt trong công thức, sự trung hòa điện tích hoặc sự hình thành phức tạp có thể xảy ra, có khả năng khiến các hạt kết tụ lại. Hiệu quả thực tế phụ thuộc vào tính chất và tỷ lệ của các thành phần cũng như thứ tự bổ sung.

Nhũ tương sáp không ion

Chúng thường ít phụ thuộc vào lực đẩy tĩnh điện. Thay vào đó, chuỗi ngậm nước của chất nhũ hóa có thể mang lại sự ổn định về mặt không gian, giúp ngăn chặn các hạt tiếp xúc trực tiếp và kết tụ lại.

Do đó, nhũ tương không ion có thể ít nhạy cảm hơn với những thay đổi chất điện phân nhất định, nhưng điều này không làm cho chúng ổn định phổ biến. Muối, nhiệt độ, hydrat hóa chất nhũ hóa và khả năng tương thích với các chất phụ gia khác vẫn có thể ảnh hưởng đến độ ổn định của chúng.

Không có quy tắc đơn giản nào rằng một loại ion luôn ổn định hơn loại khác. Điều quan trọng là cấu trúc chất nhũ hóa cụ thể, tính chất của sáp và khả năng tương thích giữa nhũ tương và công thức của khách hàng.

4. Tại sao quá trình keo tụ có thể trở nên rõ rệt hơn trong quá trình xử lý nhiệt?

Trong quá trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhũ tương thường được giữ ở điều kiện tương đối ôn hòa. Tuy nhiên, trên dây chuyền sản xuất, nó gặp phải sự kết hợp khác nhau giữa nguyên liệu thô và điều kiện chế biến.

Hệ thống sưởi làm tăng chuyển động của hạt và tần số va chạm. Nó cũng có thể thay đổi trạng thái hydrat hóa của chất nhũ hóa, khả năng bảo vệ bề mặt phân tử và các đặc tính của chính nhũ tương. Hiệu quả thực tế phụ thuộc vào loại chất nhũ hóa, công thức và phạm vi nhiệt độ.

Chỉ riêng áp suất không nhất thiết làm mất ổn định nhũ tương. Tuy nhiên, quy trình sản xuất có áp suất thường liên quan đến sự thay đổi dòng chảy, lực cắt và nhiệt độ cục bộ. Những điều kiện này có thể ảnh hưởng đến tương tác hạt và trạng thái phân tán của hệ thống.

Khi chất điện phân đã làm suy yếu cơ chế ổn định ban đầu, việc gia nhiệt và xử lý có thể ảnh hưởng hơn nữa đến quá trình kết tụ hạt, làm cho hiện tượng keo tụ dễ xảy ra hơn hoặc rõ rệt hơn.

Đó là lý do tại sao sự xuất hiện của nhũ tương khi bảo quản không đủ để xác định liệu nó có phù hợp cho sản xuất hay không.

Độ ổn định khi bảo quản có nghĩa là nhũ tương vẫn ổn định trong các điều kiện bảo quản quy định. Độ ổn định của ứng dụng có nghĩa là nó có thể duy trì độ phân tán phù hợp sau khi đưa vào công thức của khách hàng và trải qua các điều kiện xử lý thực tế. Đây không phải là điều tương tự.

Quá trình keo tụ tiềm năng có thể được tóm tắt như sau:

Chất điện giải từ công thức của khách hàng đi vào nhũ tương.

↓

Môi trường ion xung quanh các hạt thay đổi.

↓

Phạm vi lực đẩy tĩnh điện hiệu quả giảm, làm giảm độ ổn định của hạt.

↓

Điều kiện gia nhiệt và xử lý thực tế ảnh hưởng nhiều hơn đến sự kết tụ hạt.

↓

Các hạt tập hợp lại và tạo thành các khối, có khả năng gây ra các khuyết tật bề mặt của thành phẩm.

Trong trường hợp này, nhũ tương sáp không nhất thiết bị hư hỏng trong quá trình bảo quản. Đúng hơn, hệ thống ổn định giúp nó tự ổn định không thể chịu đựng được môi trường điện phân trong công thức của khách hàng.

Vậy làm thế nào có thể giải quyết được loại keo tụ này?

Rallychem đã giúp giải quyết vấn đề của khách hàng như thế nào?

1. Kiểm tra nhũ tương trước để thu hẹp các nguyên nhân có thể xảy ra

Rallychem bắt đầu bằng việc thử nghiệm nhũ tương sáp. Máy phân tích kích thước hạt bằng laser được sử dụng để đo sự phân bố kích thước hạt, trong khi máy phân tích điện thế Zeta đánh giá đặc tính điện tích bề mặt của các hạt. Máy đo pH và máy đo độ dẫn điện được sử dụng để đánh giá độ axit hoặc độ kiềm và môi trường ion của hệ thống. Độ ổn định lưu trữ cũng được đánh giá.

Kết quả cho thấy mẫu ban đầu vẫn ổn định trong điều kiện thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, không phát hiện thấy bất thường rõ ràng nào.

Tiếp theo, chúng tôi thêm nhũ tương sáp vào công thức của khách hàng và so sánh các mẫu trước và sau khi trộn và đun nóng, sử dụng cùng một máy phân tích kích thước hạt để đo tiếp theo.

Kết quả cho thấy sự phân bố kích thước hạt trở nên rộng hơn đáng kể sau khi đun nóng, với bằng chứng về sự kết tụ hạt.

Điều này chỉ ra rằng vấn đề không thể được giải thích đơn giản bằng điều kiện ban đầu của nhũ tương. Cần điều tra thêm để hiểu điều gì đã xảy ra sau khi nó xâm nhập vào hệ thống của khách hàng.

2. Sử dụng các bài kiểm tra so sánh để xác định các yếu tố chính

Rallychem sau đó đã tiến hành các thử nghiệm có kiểm soát bằng cách thay đổi môi trường điện phân và nhiệt độ xử lý.

Kết quả đã xác nhận rằng chất điện phân trong công thức của khách hàng là yếu tố chính làm giảm độ ổn định của nhũ tương, đồng thời việc đun nóng lại ảnh hưởng hơn nữa đến quá trình kết tụ hạt.

Hệ thống chất nhũ hóa ban đầu có thể tự duy trì độ ổn định của nhũ tương sáp, nhưng nó không đủ tương thích với môi trường điện phân trong công thức của khách hàng. Kết quả là các hạt tập hợp lại và tạo bông.

Điều này giải thích tại sao nhũ tương đã vượt qua thử nghiệm độc lập nhưng trở nên không ổn định sau khi trộn: bản thân nhũ tương không có dấu hiệu bất thường ban đầu rõ ràng, nhưng hệ thống ổn định ban đầu của nó không thể thích ứng đầy đủ với môi trường ion trong công thức của khách hàng.

3. Điều chỉnh hệ thống chất nhũ hóa để giải quyết vấn đề thực tế

Sau khi xác định được các yếu tố chính, Rallychem đã điều chỉnh tỷ lệ và sự kết hợp chất nhũ hóa dựa trên các đặc tính của sáp, môi trường điện phân trong công thức của khách hàng và nhiệt độ xử lý.

Mục đích là cải thiện khả năng tương thích của nhũ tương với các điều kiện ứng dụng thực tế, thay vì chỉ đơn giản là tăng lượng chất nhũ hóa.

Sử dụng năng lực phòng thí nghiệm của chúng tôi để chuẩn bị nhũ tương, phân tích kích thước hạt và đo điện thế Zeta, chúng tôi đã chuẩn bị và so sánh các công thức khác nhau để xác định hệ thống chất nhũ hóa phù hợp hơn cho ứng dụng của khách hàng.

4. Mô phỏng các điều kiện xử lý và xác minh sự cải tiến

Sau đó, nhũ tương sáp được tối ưu hóa được thêm lại vào công thức của khách hàng và được thử nghiệm ở nhiệt độ mục tiêu cũng như các điều kiện xử lý liên quan.

Các phép đo tiếp theo cho thấy sự kết tụ hạt đã được cải thiện, những thay đổi trong phân bố kích thước hạt được kiểm soát tốt hơn và trạng thái phân tán ổn định hơn so với công thức ban đầu.

Bằng cách kết hợp phân tích kích thước hạt, thử nghiệm hệ thống so sánh và xử lý mô phỏng, Rallychem đã vượt ra ngoài việc chỉ kiểm tra độ ổn định của nhũ tương để đánh giá khả năng tương thích của nó với công thức hoàn chỉnh.

Cách tiếp cận này đã giúp khách hàng giảm bớt việc thử nghiệm vật liệu lặp đi lặp lại và thử nghiệm sản xuất tốn kém.

Nhũ tương sáp của bạn có tự ổn định nhưng lại kết bông ngay khi bạn thêm nó vào hệ thống của mình không?

Đừng đợi mẻ khác kết bông trong bể trộn.

Gửi cho Rallychem loại sáp hoặc nhũ tương mà bạn hiện đang sử dụng, hệ thống lập công thức, điều kiện xử lý (nhiệt độ, áp suất và thời gian) cũng như thông tin chi tiết về vị trí và cách thức quá trình kết tụ xảy ra.

Chúng tôi sẽ giúp điều tra nguyên nhân, xác định các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ ổn định của nhũ tương, điều chỉnh hệ thống chất nhũ hóa khi cần thiết và xác minh kết quả thông qua thử nghiệm.

Giảm các thử nghiệm lặp đi lặp lại và chi phí thử nghiệm sản xuất, đồng thời giúp nhũ tương sáp của bạn hoạt động đáng tin cậy trong hệ thống sản xuất thực tế của bạn.

Đối mặt với một vấn đề keo tụ? Hãy liên hệ với nhóm kỹ thuật của Rallychem và cùng nhau tìm ra giải pháp.

Cuộc biểu tình | Từ phụ gia sáp đến hỗ trợ kỹ thuật sản xuất nhũ tương sáp tại địa phương.