При помощи аэрозольных баллонов

Принцип действия аэрозольного баллона состоит в том, что помещенный в упаковку препарат смешивается с эва­куирующей жидкостью, давление насыщенного пара ко­торой в интервале температур, при которых эксплуатиру­ется упаковка, выше атмосферного.

Выброс смеси из баллона происходит под действием давления насыщенного пара, находящегося над жид­костью.

Известно, что давление насыщенного пара любого стабильного вещества определяется только температу­рой и не зависит от объема. Поэтому в течение всего времени работы баллона давление в нем будет оставать­ся постоянным, следовательно, практически постоянной будет оставаться дальность полета частиц и угол конуса распыления.

В зависимости от характера взаимодействия распы­ляемого вещества с эвакуирующей жидкостью и его аг­регатного состояния, системы в аэрозольной упаковке будут состоять из различного числа фаз. В случае взаим­ной растворимости компонентов образуется гомогенный жидкий раствор, в других случаях – эмульсия или сус­пензия и, наконец, гетерогенная система, когда препарат и эвакуирующая жидкость образуют макроскопи­чески неоднородную систему. Очевидно, что в первом случае в аэрозольной упаковке находится двухфазная система – жидкость и насыщенный пар. При выпуске в атмосферу эмульсии или суспензии происходит дробле­ние только дисперсионной среды – получаемые части­цы в лучшем случае будут иметь размеры, которые они имели в жидкой фазе.

Когда препарат и эвакуирующая жидкость не смеши­ваются или ограниченно смешиваются между собой, при­чем одна из жидкостей диспергирована в другой в виде мелких капелек, образуются эмульсии.

Характер системы, образующейся при выходе про­дукта из упаковки в атмосферу, зависит от того, какая из жидкостей является дисперсной фазой. Если диспер­сная фаза – это препарат, то образуется аэрозоль. Если дисперсной фазой является эвакуирующая жидкость, то получается пена. Размер частиц, получаемых при помощи аэрозольных баллонов, зависит от физико-химических свойств веществ, входящих в состав препа­рата, соотношения компонентов, конструктивных осо­бенностей баллона и температурных условий его эксплуатации.

Степень дисперсности можно регулировать:

• варьируя размеры выходного отверстия;

• изменяя давление насыщенного пара эвакуирующей жидкости;

• меняя количественное соотношение препарата и эва­куирующего агента.

ЭВАКУИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Важнейшим вспомогательным компонентом является вещество, которое обеспечивает выброс препарата в ат­мосферу и последующее его диспергирование. Эти веще­ства получили название пропеллентов (лат. «рrоpellere» – гнать). Пропеллент должен выполнять две функции:

• создавать необходимое давление для выброса препа­рата;

• диспергировать продукт, выпущенный в атмосферу.

В качестве пропеллентов используют фреоны и сжатые газы. Фреоны – это низкомолекулярные фторорганические соединения алифатического ряда [C_n(H, C1, F) _{2n + 2} ].

Принята следующая система обозначений фреонов: последняя цифра (число единиц) означает число атомов фтора в молекуле, предшествующая цифра (число десят­ков) – число атомов водорода, увеличенное на единицу, и третья (число сотен) – число атомов углерода, умень­шенное на единицу. Например: F–22 – это CHC1F₂, F–114 – это C₂CI₂F₄.

Вещества, состоящие из молекул циклического строе­ния, также имеют цифровое обозначение, но перед циф­рами ставится буква «С», например: С318 – С₄F₈ (октафторциклобутан).

В качестве сжатых газов применяют N₂, N₂O, CO₂ и др.

ПРЕИМУЩЕСТВА

АЭРОЗОЛЬНЫХ УПАКОВОК

1. Перевод препарата в мелкодисперсное состояние происходит за счет потенциальной энергии сжиженного пропеллента и не требуется применение каких-либо по­сторонних устройств.

2. Для создания аэрозолей не нужны какие-либо на­садки.

3. В единицу времени можно диспергировать значи­тельное количество вещества с получением частиц мало­го размера – в случае применения других способов по­требовалось бы гораздо больше энергии.

4. Режим туманообразования стабилен: размер полу­чаемых частиц, дальность их полета, угол в вершине конуса в течение всего времени эксплуатации мало ме­няются.

5. Можно заранее фиксировать дозировку распыляе­мого вещества.

6. Можно задавать размер частиц.

7. Степень полидисперсности аэрозоля невелика.

8. Все частицы имеют одинаковый химический со­став–

9. Обеспечивается стерильность распыляемых препа­ратов.

10. Препарат в упаковке не соприкасается с кислоро­дом воздуха, что обеспечивает его стабильность.

11. Автоматически закрывающийся клапан исключа­ет возможность потери за счет проливания или испаре­ния неиспользованной части продукта.

12. Упаковка постоянно готова к работе.

13. Упаковка компактна. Дает возможность индиви­дуального или коллективного использования.

Первые аэрозольные упаковки появились в 30–х гг. XX в. в Европе. Во время Второй мировой войны иници­ативу в области их разработки захватили США. В 1941 г. была создана аэрозольная упаковка – средство для унич­тожения насекомых, упакованное в стеклянный сосуд. Пропеллентом служил фреон–12.

В промышленных масштабах производство началось после Второй мировой войны в США, а затем в других странах мира.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

АЭРОЗОЛЕЙ

Широкое использование аэрозолей обусловлено их вы­сокой эффективностью. Известно, что увеличение поверх­ности вещества сопровождается увеличением его активно­сти. Незначительное количество вещества, распыленное в виде аэрозоля, занимает большой, объем и обладает боль­шой реакционной способностью. В этом состоят преиму­щества аэрозолей перед другими дисперсными системами.

Аэрозоли применяются:

• в различных областях техники, в том числе в военной и космической;

• в сельском хозяйстве;

• в здравоохранении;

• в метеорологии;

• в быту и т. д.

Остановимся подробнее на применении аэрозольных упаковок.

В настоящее время насчитывается более 300 видов товаров в аэрозольных упаковках.

Первая группа: средства бытовой химии.

• Инсектициды – препараты для уничтожения насеко­мых.

• Средства против моли.

• Инсектициды для обработки домашних животных.

• Средства защиты комнатных растений и плодово–ягод­ных культур от

грибковых болезней и вредителей.

• Лаки и краски.

• Освежители воздуха.

• Полирующие и чистящие составы.

Вторая группа:парфюмерно –косметические средства.

• Средства ухода за волосами (лаки, шампуни и т. д.).

• Пены и гели для бритья.

• Кремы для рук и ног.

• Масло для и от загара.

• Дезодоранты.

• Духи, одеколоны, туалетная вода.

Третья группа:медицинские аэрозоли.

Четвертая группа: технические аэрозоли.

• Смазочные масла.

• Антикоррозионные покрытия.

• Защитные пленки.

• Сухие смазки.

• Эмульсии для охлаждения резцов на сверлильных станках.

Пятая группа: пищевые аэрозоли.

ПИЩЕВЫЕ АЭРОЗОЛИ

Первые баллоны с пищевыми продуктами появились в 1947 г. в США. Они содержали кремы для отделки тортов и пирожных и применялись только в ресторанах, которые возвращали их для повторного заполнения. Мас­совое производство этого вида аэрозольных упаковок на­чалось лишь в 1958 г.

Аэрозольные упаковки пищевых продуктов можно разделить на три основных группы:

• упаковки, требующие хранения при низкой темпера­туре;

• упаковки с последующей тепловой обработкой;

• упаковки без последующей тепловой обработки.

В аэрозольных упаковках выпускаются пищевые про­дукты трех видов: кремы, жидкости, пасты. В аэрозоль­ных упаковках можно купить приправы для салатов, плав­леный сыр, соки, корицу, майонез, томатный сок, 30% –е взбитые сливки и т. д.

Рост производства пищевых аэрозолей объясняется следующим:

• преимуществами перед обычными видами тары;

• разработкой новых пропеллентов;

• усовершенствованием технологии заполнения.

Преимущества аэрозольной упаковки пищевых про­дуктов:

• удобство использования;

• экономия времени;

• пища упаковывается в подготовленном к употреблению состоянии и

выдается из упаковки в однородном виде;

• нет утечки продуктов;

• влага не теряется и не проникает в упаковку;

• не теряется аромат;

• продукт сохраняется в стерильном виде.

К рецептурам пищевых аэрозолей предъявляются сле­дующие требования:

1. Пропелленты должны быть высокой чистоты, не быть токсичными, не иметь вкуса и запаха. В настоящее время используются диоксид углерода, закись азота, азот, аргон и фреон С318.

2. Сжатые газы, имеющие весьма ограниченную ра­створимость в водных растворах, не могут участвовать в образовании пены, а это необходимо для взбитых сливок, декоративных кремов, муссов и т. п. С этими продуктами предпочтительнее использовать фреон С318, хотя он значительно дороже.

Таблица 18.4

Примеры рецептур различных пищевых аэрозолей

Ингредиенты, входящие в состав аэрозолей	Количество, % массы
1. Сбитый крем для закусочных бутербродов
Творог со сливками	50 –60
Микрокристаллическая целлюлоза	25 –30
Растительное масло и ароматические добавки	6 –10
Фреон С318
2. Сахарная глазурь для отделки кондитерских изделий
Сахар	55 –60
Вода	15 –25
Растительное масло
твердое	9 –14
жидкое	3 –5
Соль поваренная	0,1 –0,3
Микрокристаллическая целлюлоза	1,0
Отдушки	1 –4
Эмульгаторы	0,5 –1
Фреон С318
3. Мусс
Мед или фруктовый сироп	78 –83
Вода	7 –9
Растительное масло (твердое)	3 –5
Микрокристаллическая целлюлоза	1 –2
Моноглицериды	0,5 –1
Полиэфиры сорбита	0,05 –1
Фреон С318
4. Декоративный соус в виде пены
Горчица (тонко измельченный порошок)	0,94
Лимонный сок	4,72
Уксус	9,44
Вода
Полисорбат 80	0,5
Эмульгирующая смесь	2,25
Микрокристаллическая целлюлоза	2,5
Добавки – Стабилизаторы пены	4,59
Фреон С318 + закись азота (Р=8 атм)
5. Масляно–уксусная заправка в виде пены
Вода	11,80
Соль	1,96
Сахар	1,47

Продолжение таблицы 18.4

Винный уксус	22,81
Оливковое масло	61,75
Полисорбат 80	0,10
Чесночное масло	0,12
Масло черного перца	0,10
Фреон С318	10,0
6. Заправка для жареных кукурузных зерен
Соль (экстра)	10,00
Растительное масло	58,97
Прочие добавки из масел	0,03
Краситель	1,00
Фреон–С318	10,00

3. Использование фреонов дает еще одно преимуще­ство: сжиженные газы вводятся в рецептуры продуктов, которые выделяются в виде пены, в количестве не более 10% веса, при этом они занимают сравнительно неболь­шой объем. Это позволяет загрузить в баллон значитель­но больше продуктов – 90% емкости баллона (в упаков­ках со сжатым газом лишь 50%) и гарантирует полную выдачу продукта из упаковки.

4. Выбор пропеллента диктуется типом пищевого продукта и предполагаемой формой его выдачи (крем, жидкость, паста). Хорошо зарекомендовали себя смеси СО₂ и закиси азота высокой чистоты. Для получения пены применяются смеси фреона С318 с закисью азота. Упа­кованный с этой смесью крем для отделки тортов дает устойчивую пену, хорошо сохраняющую цвет. Для сиро­пов самым подходящим пропеллентом считается СО₂.

Качество выдачи содержимого из баллона зависит от следующих факторов:

• технологии приготовления продукта;

• стабилизатора (широко используется микрокристал­лическая целлюлоза);

• правильного выбора баллона и клапана.

Для корицы и лимонного сока разработана управляе­мая распылительная головка, которая по желанию мо­жет выдавать продукты либо в виде капель, либо в виде струи. Для искусственных подсластителей применяются дозирующие клапаны, одна выдаваемая ими доза соот­ветствует одному куску пиленого сахара и т. д.

АЭРОЗОЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ

В мукомольной, крупяной, комбикормовой промыш­ленности широко применяется пневматический транс­порт, который создает условия для внедрения автомати­зации, повышения производительности труда и сниже­ния себестоимости. Однако применение пневматического транспорта сопряжено с большой затратой электроэнергии на перемещение большого объема воздуха (1 кг воздуха перемещает 5 –6 кг сыпучего материала).

Более прогрессивным является аэрозольный транс­порт, при котором большая концентрация материала в воздушном потоке достигается благодаря аэрации муки в начале транспортирования и высокому давлению возду­ха. Аэрация нарушает сцепление между частицами муки, и она приобретает свойство текучести, подобно жидко­сти, в результате 1 кг воздуха перемещает до 200 кг муки,

Аэрозольтранспортная установка состоит из питателя, нагнетателя, материалопровода и разгрузителя. Основным элементом является питатель, в котором смешиваются воз­дух с материалом и смеси сообщается начальная скорость, что обеспечивает ее подачу в материалопровод.

Внедрение аэрозольтранспорта дает возможность по­высить производительность мельниц и снизить удельный расход электроэнергии.

Аэрозольному транспорту принадлежит будущее не только в мукомольной, но и в других отраслях промыш­ленности, связанных с использованием сыпучих материа­лов и порошков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Аэрозоли – это микрогетерогенные системы, в кото­рых частицы твердого вещества или капельки жидкости взвешены в газе (Т/Г или Ж/Г).

По агрегатному состоянию дисперсной фазы аэрозоли подразделяют на:

• туман (Ж/Г);

• дым, пыль (Т/Г);

•смог [(Ж+Т)/Г)].

По дисперсности аэрозоли бывают: туман, дым, пыль. Как и другие микрогетерогенные системы, аэрозоли могут быть получены из истинных растворов (конденсаци­онные методы) или из грубодисперсных систем (диспергационные методы).

Капельки воды в туманах всегда сферические, а твер­дые частицы дыма могут иметь разную форму в зависи­мости от их происхождения.

Благодаря очень маленьким размерам частиц диспер­сной фазы они имеют развитую поверхность, на которой могут активно протекать адсорбция, горение, другие хи­мические реакции.

Молекулярно–кинетические свойства аэрозолей обус­ловлены:

малой концентрацией частиц дисперсной фазы;

малой вязкостью дисперсионной среды;

малой плотностью дисперсионной среды.

В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы они могут либо быстро седиментировать (при r >> 1 мкм), либо прилипать к стенкам сосуда или слипаться (при r << 0,01 мкм). Наибольшей устойчивостью обладают частицы промежуточных размеров.

Для аэрозолей характерны явления термофореза, тер­мопреципитации, фотофореза.

Оптические свойства аэрозолей сходны со свойствами лиозолей, однако рассеяние света ими выражено значи­тельно сильнее из–за больших различий показателей пре­ломления дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Специфичность электрических свойств аэрозолей со­стоит в том, что на частицах не возникает ДЭС, заряд частиц носит случайный характер и мал по величине. При сближении частиц не возникает электростатическое отталкивание и происходит быстрая коагуляция.

Разрушение аэрозолей является важной проблемой и осуществляется путем седиментации, коагуляции, пыле­улавливания и другими методами.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКАНТРОЛЯ

1. Какие системы называют аэрозолями, как они обозна­чаются?

2. По каким признакам и как классифицируют аэрозоли?

3. На какие группы делятся методы получения аэрозолей?

4. Какими основными факторами определяются свойства аэрозолей?

5. Е чем состоит сходство и различие оптических свойств аэрозолей и

лиозолей?

6. В чем состоит сущность таких явлений, как термофорез,

термопреципитация, фотофорез?

7. В чем состоит отличие электрических свойств аэрозо­лей и лиозолей?

8. Какие факторы способствуют коагуляции аэрозолей?

9. Какими методами может осуществляться разрушение аэрозолей?

10. Каков принцип действия аэрозольного баллончика?

11. Какие вещества называются пропеллентами? Какие пропелленты вы

знаете?

Изучив главу 18, вы должны знать:

• классификацию аэрозолей;

• методы получения аэрозолей;

• особенности молекулярно–кинетических, оптических и электрических

свойств;

• методы разрушения аэрозолей.

ГЛАВА 19

ПОРОШКИ

Порошками называются высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсной фазой явля­ются твердые частицы, а дисперсионной средой – воздух или другой газ. Условное обозначение: Т/Г.

В порошках частицы дисперсной фазы находятся в контакте друг с другом. Традиционно к порошкам отно­сят большинство сыпучих материалов, однако в узком смысле термин «порошки» применяют к высокодисперс­ным системам с размером частиц, меньшим некоторого критического значения, при котором силы межчастично­го взаимодействия становятся соизмеримыми с массой частиц. Наибольшее распространение имеют порошки с размерами частиц от 1 до 100 мкм. Удельная межфазная поверхность таких порошков меняется в пределах от не­скольких м²/г (сажа) до долей м²/г (мелкие пески).

От аэрозолей с твердой дисперсной фазой (тоже Т/Г) порошки отличаются гораздо большей концентрацией твердых частиц. Порошок получается из аэрозоля с твер­дой дисперсной фазой при его седиментации. В порошок превращается также суспензия (Т/Ж) при ее высушива­нии. С другой стороны, и аэрозоль, и суспензия могут быть получены из порошка.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОШКОВ

1. По форме частиц:

• равноосные (имеют примерно одинаковые размеры по трем осям);

• волокнистые (длина частиц гораздо больше ширины и толщины);

• плоские (длина и ширина значительно больше тол­щины).

2. По межчастичному взаимодействию:

• связнодисперсные (частицы сцеплены между собой, т. е. система обладает

некоторой структурой);

• свободнодисперсные (сопротивление сдвигу обуслов­лено только трением

между частицами).

3. Классификация по размерам частиц дисперсной фазы:

• песок (2 • 10 ⁵ d 2 • 10 ³) м;

• пыль (2 • 10 ⁶ d 2 • 10 ⁵) м;

• пудра (d < 2 • 10 ⁶) м.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ

Порошки, так же как любую другую дисперсную сис­тему, можно получить двумя группами методов:

• со стороны грубодисперсных систем – диспергационными методами;

• со стороны истинных растворов – конденсационны­ми методами.

Выбор метода зависит от природы материала, назна­чения порошка и экономических факторов.

ДИСПЕРГАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Производится дробление сырья на вальцовых, шаро­вых, вибрационных или коллоидных мельницах с после­дующим разделением на фракции, так как в результате помола получаются полидисперсные порошки (например, мука одного и того же сорта может содержать частицы от 5 до 60 мкм).

Эффективное диспергирование может быть произве­дено при перетирании весьма концентрированных сус­пензий.

Для облегчения диспергирования применяют понизи­тели твердости, в качестве которых выступают ПАВ. В соответствии с правилом уравнивания полярностей, адсорбируясь на поверхности измельчаемого твердого тела, они уменьшают поверхностное натяжение, снижая энер­гозатраты при диспергировании и повышая дисперсность измельченной фазы.

В некоторых случаях перед диспергированием прово­дят предварительную обработку материала. Так, титан или тантал нагревают в атмосфере водорода, переводя в гидриды, которые измельчают и нагревают в вакууме – получаются чистые металлические порошки.

При получении чешуйчатых порошков, которые входят в состав красок и пиротехнических составов, для измельче­ния используют шаровые мельницы. Шары расплющивают и прокатывают частицы измельчаемого материала.

Порошки с частицами сферической формы из туго­плавких металлов (вольфрам, молибден, ниобий) получа­ют в низкотемпературной плазме дугового и высокочас­тотного разряда. Проходя через зону плазмы, частицы плавятся и принимают сферическую форму, затем ох­лаждаются и затвердевают.

В ходе диспергирования химический состав материа­ла не изменяется.

КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Эти методы молено разделить на две группы.

Первая группа методов связана с осаждением частиц вследствие коагуляции лиофобных золей. В результате упаривания раствора или частичной замены растворите­ля (снижение растворимости) образуется суспензия, а после ее фильтрации и сушки получаются порошки.

Вторая группа методов связана с проведением хими­ческих реакций (химическая конденсация). Методы хи­мической конденсации можно классифицировать на ос­нове типа используемой реакции:

1. Обменные реакции между электролитами.

Например, осажденный мел (зубной порошок) полу­чают в результате реакции:

Na₂CO₃ + СаС1₂ = СаСО₃ + 2 NaCl.

2. Окисление металлов.

Например, высокодисперсный оксид цинка, являю­щийся основным компонентом цинковых белил, получа­ют окислением паров цинка воздухом при 300°С.

3. Окисление углеводородов.

Различные виды сажи, которую применяют при про­изводстве резины, пластмасс, типографской краски получают сжиганием газообразных или жидких углеводоро­дов при недостатке кислорода.

4. Восстановление оксидов металлов.

Восстановление природным газом, водородом или твер­дыми восстановителями используется для получения вы­сокодисперсных металлических порошков.

5. Термическая диссоциация карбонилов металлов.

Карбонилы Ме(СО)_n – летучие соединения, которые образуются при обработке металлов оксидом углерода при давлении 200 атм и температуре примерно 200 С. При нагревании карбонилы испаряются и разлагаются, обра­зуя высокодисперсные металлические порошки.

6. Электролиз водных растворов солей.

Этим методом получают высокодисперсные порошки металлов и сплавов высокой степени чистоты.

Таким образом, методы химической конденсации свя­заны с изменением химического состава материалов.