세제 및 금속 비누 생산을위한 amixon® 믹서 및 반응기

혼합기와 합성 반응로를 모두 특별한 방식으로 조정해야만 작업을 제대로 수행할 수 있습니다. amixon 혼합기 및 반응로는 이런 특수 작업을 완벽하게 수행합니다.

비누는 가장 오래된 화학 제품에 속합니다. 이미 원시인들도 비누(= 고지방산 알칼리염)의 윤활 및 분리 효과를 알고 있었습니다. 원시인들은 불에 탄 나무의 재를 물에 섞거나 뛰워서 희석된 잿물을 만들었습니다. 그런 다음 액체 상태에서 재 찌꺼기를 여과한 후 증발시켰습니다. 그런 다음 연한 잿물을 농축해 이왕이면 가열된 상태에서 기름과 지방을 혼합했습니다. 이때 잿물이 혼탁해지면 비눗물이 되고 있다는 신호입니다. 비눗물은 지방 용해 및 수분 용해 특성을 동시에 가지고 있습니다. 이상적인 경우에는 비눗물의 액체 성분에서 고체 성분을 분리해 보존 및 운반이 용이하게 만들었습니다. 이미 기원전 3세기에 수메르인은 이런 절차를 통해 얻은 비누를 처음에는 치유 목적으로 사용했습니다. 그리고 로마 시대에 들어와 비로소 비누의 세정 효과를 이용하게 되었다고 합니다. 로마 문서에는 동물 지방, 재 및 수액으로 만든 게르만 비누에 대한 언급이 있습니다. 이것은 전투 전에 머리카락을 빨갛게 염색하는 데 사용되었습니다. 비누를 끓여 만드는 기술은 아랍인이 스페인인에게 전했고 샤를마뉴는 768~814년까지 프랑크 제국을 통치하면서 비누 제작자들의 정착을 장려했다고 합니다. Seifa(자이파), Seipha(자이파), Säpa(재파) 같은 중세 독일어 단어는 연성 비누를 뜻합니다. 단단하고 하얀 비누를 만드는 것은 특별한 일로 간주되고 장려되었는데, 이것은 해초의 재와 올리브 오일을 원료로 만들었습니다. 약초, 산화방지제, 탈취제 및 향유가 첨가된 비누는 인기 있는 사치품이었습니다. 900년경에 마르세유는 비누 생산의 중심지였습니다. 500년 후에는 이탈리아의 사보나, 베니스, 제노바 같은 도시가 비누 생산의 중심지였습니다. 루이 16세 (통치 기간: 1775년~1793년 1월 21일)는 프랑스에서 비누 품질에 대한 지침을 공표했는데, 이에 따르면 오일 함량이 전체 중량의 72% 이상이어야 했습니다.

1900년경의 산업 공정에서는 수산화나트륨과 수산화칼륨으로 만든 강한 잿물 및 인공 소다로 탄산칼륨을 대체했습니다. 1907년에는 기본 화학 물질인 과붕산염과 규산염으로 만든 Henkel 사의 Persil 브랜드 제품이 세상에 나왔습니다. 1929년에 루트비히스하펜(Ludwigshafen)의 벤키저(Benckiser)는 호텔과 레스토랑용 식기세척기 세제를 개발했습니다. 염석 비누는 대량 생산 제품이 되었습니다. 세제를 더욱 환경 친화적으로 만들기 위해 오늘날까지 많은 시도가 있었습니다. 그래서 오늘날 유럽에서 세제에 사용되는 효소와 계면 활성제는 생분해성이며 인산염과 표백제뿐만 아니라 미세 플라스틱의 사용도 점점 자제하고 있습니다.

거품과 세척력 외에 비누막 모델이라고 불리는 표면막 형성 현상을 여기에서 언급할 필요가 있습니다. 이것은 표면막을 형성하는 비누의 특성을 이용하는 것입니다. 공간적으로 불규칙하게 구부러진 와이어 루프를 비누 용액에 담근 후 다시 꺼내면 비누막이 생깁니다. 이렇게 펼쳐진 면적은 최소 면적에 해당합니다. 뮌헨 올림픽 경기장에 있는 불규칙한 형태의 텐트 지붕은 이 방법을 사용해 제작되었습니다.

비누의 세척 특성을 활용한 산업 제품으로는 한편으로 액체나 고체 형태의 분말, 과립, 공 모양 또는 알약으로 제작되는 개인 위생, 의복, 식기 등을 위한 세제와 집안 청소용 세제가 있습니다. 또한 대형 산업 시설에서 사용되는 정밀 혼합기는 배치(batch) 단위로 처리하는 균질기로서 각종 작업을 수행합니다. 예를 들어 강력 세제, 컬러 의복용 세제 및 중성 세제용 3~5가지 고체 물질을 균질화하는 연속 처리 방식의 대형 혼합기가 있습니다. 성분을 조제법의 정량대로 상단에 투입하면 균질화된 형태로 아래로 배출되는 동시에 2~4개의 연속 처리식 충전기에 충전됩니다. 이 수직 혼합 시스템은 특히 물질을 파괴하지 않으면서 혼합하며 생산 단계 완료 후 매우 깨끗하게 비울 수 있습니다.

아래에 3개 배출구와 충전 시스템이 있는 수직 혼합기의 개략도

아래에 3개 배출구와 충전 시스템이 있는 수직 혼합기의 개략도

또는 연속 처리식 혼합 과립기의 집적 과립화 절차를 통해 분말 계면 활성제가 균일한 원형 과립으로 됩니다. 그런 다음 입자를 압축하면 미세 성분 없이 쉽게 계량하고 충전 및 운반이 가능해집니다.

세제를 식기 세척기용 알약/압축물로 최종 혼합하는 과정도 특별합니다. 이것은 종종 다양하게 염색하는 다양한 조제법으로 이루어집니다. 이런 색상은 확장 기능을 표시하며 "린스 보조제", "추가 건조 효과", "세척 강화제", "경수 연화제", "약국용 정제" 등을 가리킵니다. 고성능 정제 압축을 통해 여러 성분을 합칠 수 있습니다. 그러나 이를 위해서는 물질을 파괴하지 않으면서 작업하는 정밀 혼합기를 사용해 압축할 분말 덩어리가 특정 유동 특성 및 응집 특성을 갖도록 분말을 혼합하고 적셔야 합니다. 이런 혼합기는 매우 강력한 자가 세척력이 있어야 합니다.

비누는 세척 외에도 디프 드로잉 공정을 통해 욕조나 차체를 만들 때처럼 금속 재료를 변형시킬 때 윤활제로도 사용됩니다. 또한 파이프의 "콜드 디프 드로잉 및 반복 가공 절차"에도 사용됩니다. 스테아르산마그네슘, 스테아르산칼슘 및 스테아르산나트륨 같은 이른바 금속 비누는 스테아르산이라고 불리며 글리세린 분리 시 금속 산화물/수산화물이 있으면 스테아르산의 에스테르화 반응을 통해 생깁니다. 나트륨염 또는 칼륨염을 포함하지 않는 모든 비누를 금속 비누라고 부릅니다. 왁스 같은 흰색 분말인 이것은 물에 녹지 않습니다. 금속 비누는 예를 들어 의약품 및 화장품 제조, 동물 사료 생산 시 첨가제, 식품 첨가물 또는 "이형제(離形劑)" 등으로 사용됩니다.

유럽 특허 명세서 0330 097에는 스테아르산을 바탕으로 분말 형태의 염기성 금속 비누를 실험실 규모로 생산하는 공정이 설명되어 있습니다. 이에 따르면 적절한 온도에서 적합한 혼합 시스템을 사용하면 미세하게 분산되고 유동성이 있는 밝은 색상의 분말 금속 비누가 생긴다고 합니다. 액체상에서 고체상으로 자연스럽게 변하면 진공 상태에서 잔류물을 건조시킵니다. 독일 특허 출원 DE4019167A1 같은 다른 특허 명세서에서는 분진이 적고 솜털 같으며 유동성이 있는 분말을 얻기 위한 2단계 공정을 통해 염기성 또는 중성 분말 금속 비누를 얻는 방법을 설명합니다. 대형 스테아르산 제조사의 제품 포트폴리오를 보면 금속 비누의 용도가 얼마나 다양한지를 알 수 있습니다. 스테아르산칼슘과 스테아르산아연은 플라스틱 생산 시 효과적인 안정제이며 이 덕분에 PVC를 식수 파이프 라인으로 사용할 수 있습니다. PVC 플라스틱이 용리되지 않도록 안정화하는 작용을 합니다. 또한 스테아르산칼슘은 롤링 베어링에 사용되는 윤활유 첨가제이기도 합니다. 스테아르산마그네슘은 입자 크기가 3~15µm일 때 매우 넓은 표면적을 가지며 아주 작은 농도로도 온갖 종류의 대량 자재에 효과적인 유동 보조제로 사용됩니다. 다만 이때 혼합 과정이 물질을 파괴하지 않으면서 모든 공간에 균일하고 정확하게 이루어져야 합니다. 고전단 혼합은 유동성을 감소시킵니다. 스테아르산마그네슘이 없다면 오늘날과 같은 정제 압축 생산력은 상상할 수도 없습니다. 아연, 나트륨, 바륨, 리튬 및 알루미늄 금속의 스테아르산은 성분에 따라 아주 다른 효과를 냅니다. 예를 들어 화학적 산 제거제, 함침제, 고무 가황 보조제, 금속 가공 시 윤활제, 건축 자재 생산 시 발수제, 이형제 또는 접착촉진제, 표면 래핑 시 연마제 또는 컬러 페인트용 소광제, 크림, 샴푸 및 식료품의 증점제/유화제 등으로 사용되어 흡수성 물질을 발수성으로 만듭니다.

금속 비누 생산 절차는 매우 복잡하며 회사의 공정 철학에 따라 제각각입니다. 이때 "분말 혼합" 공정 단계는 여러 지점에서, 즉 먼저 원료의 수집 및 준비를 위해 그런 다음에는 합성을 위해 중요합니다. 위에 언급한 금속의 수산화물은 적합한 유지(油脂)와 마찬가지로 분말 형태로 공급됩니다. 원료를 가열해 저점도 현탁액 또는 용융물로 균질화한 후에 소량의 촉매를 첨가하거나 원료 덩어리를 가열하면 찐득찐득한 반죽으로 변합니다. 그런 다음 반응로 용기를 밀폐한 상태에서 시스템 압력을 주변 압력의 몇 배까지 올리면 강한 열이 발생하면서 반응 작용이 계속됩니다. 반응이 끝난 후에는 합성 반응로를 진공 상태로 만들어 덩어리를 건조 및 냉각시킵니다. 그러면 이상적인 경우 미세하고 유동성이 있는 흰색 분말이 배출됩니다.

진공 혼합건조기(Vakuum-Mischtrockner, VMT)와 작업자의 모습

진공 혼합건조기(Vakuum-Mischtrockner, VMT)와 작업자의 모습


혼합기와 합성 반응로를 모두 특별한 방식으로 조정해야만 작업을 제대로 수행할 수 있습니다. amixon 혼합기 및 반응로는 이런 특수 작업을 완벽하게 수행합니다.  

1.     이것은 최소한의 에너지 입력으로 짧은 시간 안에 사실상 더 이상 개선의 여지가 없는 기술적으로 이상적인 혼합 품질을 유도해 냅니다.

2.     이때 특히 중요한 것은 원주 속도가 1m/s 미만이 되도록 혼합 공구의 회전 빈도를 측정하는 것입니다. 분말 금속 비누의 미세함 때문에 분진 폭발 위험이 증가합니다.

3.     배치 혼합기 및 최종 혼합물용 혼합기는 모두 높은 배출도를 자랑하는데, 이것은 특히 최종 제품이 미세하게 분산되는 경우 매우 까다로운 요건이 될 수 있습니다.

4.     혼합기는 20%만 채우든 아니면 가득 채우든 상관없이 유연하게 사용할 수 있습니다.

5.     수동 세척이 필요할 경우 혼합기에 편안하고 신속하게 접근할 수 있습니다.

6.     혼합기는 상시 기밀 상태입니다. 이것은 안전상의 이유로 내부 압력이 +/- 150mbar로 변할 때 특히 중요합니다. 높은 분진 폭발 위험 때문에 때때로 혼합실의 질소 대기를 차단해야 하는데, 이것은 간단한 일이 아닙니다.

7.     또한 혼합 합성 반응로의 경우 혼합 공구를 포함한 장치를 신속하게 모든 면적에 걸쳐 효과적으로 온도를 조절할 수 있어야 합니다.

8.     또한 이런 합성 반응로는 물질이 액체든 반고체든 고점성 물질이든 분말이든 상관없이 효과적으로 혼합할 수 있어야 합니다.

9.     합성 반응로 혼합기는 급속 가열과 급속 냉각의 상호 작용 및 과압과 진공의 교대 부하를 피로 없이 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다. amixon은 정확히 계산된 최소 수명을 보장하는 공법을 가지고 있습니다.

10. 또한 분말, 액체, 반죽, 점성, 고점성 등의 상태에서 다시 분말 상태로 유동하는 가변적인 혼합물 밀도에 따른 반응 부하를 안전하게 제어할 수 있습니다.

11. 또한 amixon 합성 반응로는 원치 않는 거품 형성에 대응할 수 있습니다.

amixon은 1983년 이래로 합성 반응 제어의 각종 분야에서 많은 경험을 축적했으며 사용자에게 수직 배열된 스크류 벨트 혼합 공구를 포함한 다양한 장비를 제공합니다. amixon 공장 기술 센터에서는 5가지 나선형 혼합 시스템과 5가지 합성 혼합 반응로를 테스트해 볼 수 있습니다. 보통 초기 정보를 교환만 해도 좋은 준비 결과를 예측할 수 있으며 기술 센터에서 테스트가 성공적으로 완료된 경우 대형 기계 설계를 위한 안정적인 확장도 가능합니다. amixon은 산업 부문에 상관없이 최대 40m³ 용적의 나선형 혼합 공구가 장착된 대형 혼합기 및 합성 반응로를 전 세계 여러 곳에서 성공적으로 작동하고 있습니다.