Как добиться равномерной толщины слоя при нанесении оболочки на частицы порошка, если оболочка вносится в виде распылённой суспензии или раствора в слой смешиваемого материала вертикального смесителя?
Равномерная толщина слоя при внесении распылённой суспензии или раствора в слой смешиваемого материала вертикального смесителя достигается за счёт согласованного взаимодействия циркуляции продукта, техники распыления, размера капель, свойств жидкости и отверждения. Решающее значение имеет не только общее количество нанесённого материала оболочки, а то, чтобы каждая частица достаточно часто проходила через зону распыления и при этом постепенно покрывалась, не переувлажняясь локально и не подвергаясь истиранию только что образованного слоя.
Циркуляция продукта и скорость распыления
При нанесении оболочки скорость распыления должна соответствовать фактической скорости циркуляции смешиваемого материала. Суспензию или раствор нельзя вводить в слой продукта быстрее, чем движение при смешивании способно выводить смоченные частицы из зоны распыления и перемешивать их с менее смоченными частицами всей загрузки. Если скорость распыления слишком высока, несколько капель попадают на одни и те же частицы или на один и тот же локальный участок продукта в быстрой последовательности. Следствием являются локально мокрые очаги, жидкостные мостики, налипания на стенку и агломераты. Одновременно другие частицы поначалу остаются непокрытыми.
Равномерный слой образуется, когда жидкость попадает на движущиеся частицы множеством малых порций. Смоченные частицы должны затем быстро выводиться из зоны распыления. Они многократно перемешиваются с преимущественно более сухими или менее покрытыми частицами и возвращаются в зону распыления лишь спустя определённое время. Поэтому кинетика смешивания должна быть быстрее, чем локальное переувлажнение.
Собственно цель заключается в следующем: каждая частица в течение всего времени дозирования должна пройти много контролируемых проходов через активную зону распыления. С каждым проходом наносится небольшое дополнительное количество материала оболочки. Таким образом слой нарастает постепенно и статистически равномерно на всей популяции частиц. Многократные контакты частицы с определённой зоной распыления считаются существенной предпосылкой для равномерного покрытия.
Форсунку следует устанавливать в зоне, через которую постоянно проходит достаточно большой массовый поток смешиваемого материала. Форсунка над неподвижным слоем порошка, в слабо перемешиваемой краевой зоне или с прямым попаданием на стенку ёмкости скорее приводит к переувлажнению, наращиванию продукта и неравномерной толщине слоя. Поэтому время дозирования, степень наполнения, частота вращения, геометрия рабочего органа, положение форсунки и движение продукта должны согласовываться совместно.
Капли и картина распыления
Размер капель должен соответствовать размеру частиц, пористости частиц, смачиваемости и вязкости суспензии или раствора оболочки. Крупные капли могут одновременно захватывать несколько частиц и создавать жидкостные мостики. Это повышает вероятность агломерации и широкого разброса толщины слоя. Более мелкие капли распределяют то же количество жидкости на большее число точек попадания и снижают риск локальной передозировки.
Ориентир, согласно которому капли должны быть малы по сравнению с покрываемыми частицами, разумен, но недостаточен. У очень тонких или когезионных порошков даже мелкие капли могут вызывать агломерацию, если поверхности частиц долго остаются липкими или если растворитель испаряется слишком медленно. У пористых, впитывающих или структурированных частиц жидкость может частично уходить в поровую структуру, вместо того чтобы образовывать исключительно поверхностный слой. Поэтому итоговая толщина слоя зависит не только от размера капель, но и от глубины проникновения, поведения растекания и отверждения жидкости.
Важными управляющими параметрами являются размер капель, число капель, угол распыления, давление распыления, расстояние распыления, расход, положение форсунки и движение порошка в момент нанесения жидкости. Форсунка с хорошей картиной распыления всё же может давать плохие результаты, если она распыляет в зону с недостаточным движением продукта. И наоборот, сильной циркуляции продукта недостаточно, если капли слишком крупные или жидкость слишком вязкая и неравномерно распыляется.
Свойства жидкости существенно определяют характер распыления. Более высокая вязкость, поверхностное натяжение или плотность часто способствуют образованию более крупных капель. Более высокая вязкость может также замедлять растекание по поверхности частицы и увеличивать время, в течение которого сохраняются жидкостные мостики между частицами. Исследования контактного растекания при нанесении покрытия на частицы показывают, что вязкость и перенос жидкости между частицами влияют на развитие равномерности покрытия.
Для высоковязких суспензий или растворов могут потребоваться термостатируемые ёмкости-накопители, трубопроводы, насосы и форсунки. Температуру следует устанавливать так, чтобы жидкость оставалась стабильно транспортируемой и мелко распыляемой, не подвергая действующие вещества, связующие или растворители термическому повреждению. При покрытиях на основе суспензии дополнительно необходимо следить за тем, чтобы содержание твёрдой фазы и состояние диспергирования оставались стабильными на протяжении всего дозирования. В противном случае седиментация в ёмкости-накопителе, разделение фаз или изменение вязкости в течение времени дозирования напрямую приводят к колебаниям толщины слоя.
Раствор, суспензия и отверждение
У раствора покрытие после нанесения первоначально состоит из растворённого материала оболочки и растворителя. Растворитель должен после растекания контролируемо испаряться, чтобы материал оболочки оставался в виде связного слоя. У суспензии дополнительно присутствуют суспендированные твёрдые частицы. Жидкая фаза распределяется по частице, пока растворитель испаряется или переходит в слой частиц, а доля твёрдой фазы образует слой или плёнку. Поэтому стабильность суспензии имеет решающее значение: седиментация, флокуляция или колебания концентрации приводят к локально различающейся нагрузке твёрдой фазы и, соответственно, к переменной толщине слоя.
Ведение температуры и отверждение определяют, образуется ли из капли определённый слой или агломерат. Если раствор высыхает слишком рано, жидкость не может в достаточной степени растечься по поверхности частицы. Тогда слой становится шероховатым, пятнистым, прерывистым или неравномерным. Если же капля остаётся жидкой или липкой слишком долго, частицы могут слипаться через жидкостные мостики. Агломерации особенно способствуют высокая скорость распыления, крупные капли и недостаточная скорость испарения или сушки.
Поэтому оптимальная температура продукта — это не единичное фиксированное заданное значение, а окно процесса. Оно зависит от растворителя, вязкости, содержания твёрдой фазы суспензии, поведения испарения, температуры частиц, температуры ёмкости, степени наполнения, ведения газа или воздуха и интенсивности смешивания. Для температурочувствительных частиц дополнительно необходимо ограничивать, насколько высоко может подниматься средняя температура продукта и локальная температура поверхности.
При нанесении суспензии необходимо также предотвращать изменение картины распыления форсунки из-за отложений твёрдой фазы или подсыхания на кончике форсунки. Стабильная подача жидкости, подходящая фильтрация, контролируемое перемешивание в ёмкости-накопителе и при необходимости циклы промывки форсунки являются важными предпосылками для постоянного нанесения на протяжении всей загрузки.
Правильный выбор интенсивности смешивания
Высокая частота вращения рабочего органа может ускорять распределение жидкости, но не является автоматически преимуществом. Более высокая интенсивность смешивания повышает частоту и энергию контактов частиц. Это может приводить к более сильным столкновениям только что покрытых частиц, вызывать истирание, повреждать образующийся слой, приводить к образованию мелкой фракции или нагревать продукт за счёт трения. Особенно чувствительны кристаллы, гранулы, распылённые агломераты, биологически активные продукты или частицы с мягким либо ещё не полностью отверждённым покрытием.
Слишком низкая интенсивность смешивания также проблематична. В этом случае продукт слишком редко проходит через зону распыления, жидкость распределяется недостаточно быстро, а локальное переувлажнение усиливается. Возникают мокрые очаги, агломераты и широкий разброс толщины слоя. Поэтому оптимальная настройка находится между этими крайностями: циркуляция продукта должна быть достаточно быстрой, чтобы распределить нанесённую жидкость по всей загрузке, но достаточно бережной, чтобы не стирать нарастающий слой.
Интенсивность смешивания не следует оценивать исключительно по частоте вращения. Решающее значение имеют геометрия рабочего органа, степень наполнения, окружная скорость, фактическая циркуляция продукта, время смешивания, положение форсунки, скорость распыления, количество жидкости и механическая чувствительность частиц. При использовании инструментов высокого сдвига или дезагломерации их следует применять целенаправленно, ограниченно по времени и только тогда, когда это необходимо для распределения высоковязких жидкостей или разрушения нежелательных агломератов. Постоянно высокое внесение энергии может повреждать покрытие и увеличивать долю мелкой фракции.
Оценка толщины слоя
Равномерное общее количество материала оболочки в загрузке ещё не доказывает равномерную толщину слоя на каждой частице. Поэтому оценку качества следует проводить на нескольких уровнях. Сначала проверяется, соответствует ли среднее нанесённое количество материала оболочки заданному значению. Затем оценивается разброс количества материала оболочки в репрезентативных единичных пробах, например через коэффициент вариации или относительное стандартное отклонение (RSD) подходящего маркерного компонента.
Для прямой оценки толщины слоя целесообразны визуализирующие и связанные с частицами исследования. В зависимости от продукта могут применяться световая микроскопия, растровая электронная микроскопия, анализ изображений частиц, поперечные шлифы, гравиметрическое определение, химическая экстракция, измерение цвета, определение влажности, испытания растворения или высвобождения и ситовой анализ. Ситовой анализ особенно помогает выявлять нежелательные агломераты, а также образование мелкой фракции из-за механической нагрузки.
Отбор проб должен охватывать весь процесс. Пробы из нескольких зон камеры смешивания целесообразны, но сами по себе недостаточны. Дополнительно следует исследовать разнесённые во времени пробы выгрузки — из начала, середины и конца опорожнения. Так можно оценить, равномерно ли покрытие в камере смешивания и возникают ли при выгрузке, транспортировании или фасовке истирание, сегрегация или иные изменения.
Практический подход
Разработка процесса начинается с характеризации базового материала. Необходимо определить распределение частиц по размерам, форму частиц, насыпную плотность, удельную поверхность, пористость, влажность, текучесть, когезию, поверхностную энергию, смачиваемость, температурную стабильность и при необходимости абразивность. Для суспензии или раствора оболочки важны вязкость, поверхностное натяжение, плотность, содержание твёрдой фазы, размер частиц суспендированных твёрдых веществ, стабильность к седиментации, доля растворителя, поведение испарения, механизм сушки и химическая совместимость с базовым материалом.
Затем составляется план испытаний. Сначала следует исследовать сухую циркуляцию продукта: какая частота вращения смесителя, степень наполнения и геометрия рабочего органа обеспечивают стабильное и бережное движение продукта? Только после этого систематически варьируются скорость распыления, размер капель, давление распыления, угол распыления, положение форсунки, температура жидкости, температура продукта, содержание твёрдой фазы, частота вращения смесителя, степень наполнения и время домешивания.
Не каждый фактор влияния нужно проверять по отдельности. Структурированный подход DoE может выявлять взаимодействия и сокращать необходимое число испытаний. Например, более высокая скорость распыления может работать при одновременно более высокой температуре продукта, тогда как та же скорость распыления при более низкой температуре приводит к агломерации. Аналогично более высокое содержание твёрдой фазы в суспензии может облегчать сушку, но ухудшать распыление и, соответственно, картину распыления.
В качестве первой цели определяется окно процесса, в котором не возникает видимых агломератов, чрезмерного налипания на стенку, недопустимого нагрева и заметного повреждения слоя. Затем оцениваются среднее количество материала оболочки, разброс этого количества, толщина слоя, распределение частиц по размерам, истирание, влажность, стабильность выгрузки и воспроизводимость. Итоговая настройка выбирается не только по визуально лучшей пробе, а по её устойчивости к колебаниям сырья, очищаемости, щадящей обработке продукта, стабильности при выгрузке и надёжной повторяемости в производственном масштабе.
Равномерная толщина слоя при нанесении покрытия в вертикальном смесителе
Равномерная толщина слоя достигается, когда суспензия или раствор оболочки тонко и дозированно вводятся в непрерывно циркулирующий слой частиц, без локального переувлажнения или излишней механической нагрузки. Особенно важны бережное трёхмерное движение продукта, согласованная с циркуляцией скорость распыления, контролируемое ведение температуры и при необходимости вакуума, а также многоступенчатый профиль нанесения покрытия.
Бережное движение продукта
При нанесении оболочки на частицы порошка интенсивность смешивания нельзя ориентировать исключительно на максимально быстрое распределение. Высокая механическая нагрузка может стирать только что образованные слои, измельчать агломераты, повреждать кристаллы, создавать мелкую фракцию и изменять распределение частиц по размерам. Это особенно критично для чувствительных покрытий, кристаллов, распылённых агломератов, гранул или пористых частиц.
Вертикальные смесители amixon® серий VM и HM работают с контролируемой трёхмерной циркуляцией продукта. Смешиваемый материал поднимается вверх в зоне у стенки, в центре под действием силы тяжести снова опускается вниз и затем вновь переводится во внешнюю зону смешивания. Окружная скорость рабочего органа в зависимости от конструктивного исполнения и задачи смешивания обычно составляет примерно от 0,8 до 3,5 м/с. Движение продукта происходит без выраженных зон броска, удара или сдавливания. При соответствующем расчёте это позволяет обрабатывать покрытия, агломераты, кристаллы и высушенные распылением частицы с низкой механической нагрузкой.
Низкая механическая нагрузка не означает, что продукт смешивается лишь медленно. Решающее значение имеет то, что частицы многократно проходят через активную зону распыления. Таким образом жидкость покрытия постепенно распределяется на множество частиц. Покрытие нарастает несколькими малыми ступенями нанесения, вместо того чтобы отдельные частицы перегружались крупными каплями или большими локальными количествами жидкости.
Скорость распыления и циркуляция частиц
Скорость распыления должна соответствовать реальной скорости циркуляции смешиваемого материала. Суспензию или раствор нельзя дозировать быстрее, чем движение продукта способно выводить только что смоченные частицы из зоны распыления и распределять их по всей загрузке. Слишком высокая скорость распыления приводит к локально мокрым очагам, жидкостным мостикам, наращиванию на стенке и агломерации. Одновременно другие частицы могут оставаться непокрытыми.
Равномерный слой образуется, когда каждая частица в течение всего времени дозирования совершает много контролируемых проходов через зону распыления. При каждом проходе на поверхность попадает лишь небольшое количество жидкости. После этого частица снова возвращается в общую загрузку, может дать жидкости растечься, отдать растворитель или закрепить покрытие, а позднее вновь возвращается в зону распыления.
Поэтому форсунку необходимо располагать в зоне, через которую постоянно проходит продукт. Она не должна распылять на неподвижный слой, на стенку ёмкости или в плохо перемешиваемую краевую зону. Время дозирования, степень наполнения, частота вращения, геометрия рабочего органа, положение форсунки, давление распыления и угол распыления должны согласовываться совместно. Цель — многократное, тонко распределённое нанесение множества малых количеств жидкости, а не однократное, локально концентрированное нанесение жидкости.
Суспензия, капли и отверждение
Размер капель должен соответствовать размеру частиц, пористости, поверхностной энергии, смачиваемости и вязкости суспензии или раствора. Крупные капли могут одновременно смачивать несколько частиц и образовывать жидкостные мостики. Это способствует агломерации и приводит к широкому разбросу толщины слоя. Более мелкие капли распределяют материал оболочки на большее число точек попадания и снижают риск локальной передозировки.
При распылении суспензии решающее значение имеет не только жидкая фаза. На качество слоя также влияют содержание твёрдой фазы, размер частиц суспендированных компонентов, стабильность к седиментации, склонность к флокуляции и стабильность вязкости. Если суспензия расслаивается в ёмкости-накопителе или твёрдые частицы оседают перед форсункой, нагрузка твёрдой фазы в струе распыления колеблется. Это напрямую приводит к колебаниям от загрузки к загрузке и переменной толщине слоя. Достаточно перемешиваемая ёмкость-накопитель, подходящая насосная техника, фильтрация и определённые циклы промывки помогают поддерживать стабильный процесс распыления.
После нанесения покрытие должно контролируемо отвердевать. У раствора растворитель должен испариться, чтобы растворённый материал оболочки остался на поверхности частицы. У суспензии жидкость и суспендированные твёрдые частицы должны вести себя так, чтобы после растекания и сушки образовался стабильный слой. Если жидкость высыхает слишком быстро, она не успевает в достаточной мере распределиться по поверхности частицы. Если она остаётся мокрой или липкой слишком долго, частицы могут слипаться и образовывать нежелательные агломераты.
Термостатирование и вакуум
Аппараты amixon® могут одновременно термостатироваться и работать под вакуумом. Это существенно расширяет возможности нанесения покрытий. Благодаря термостатируемой камере смешивания и при необходимости термостатируемым смесительным инструментам температуру продукта можно целенаправленно регулировать. Благодаря этому можно влиять на вязкость жидкости покрытия, растекание по частице, испарение растворителя и отверждение покрытия.
Приложенный вакуум может поддерживать испарение воды или органических растворителей при пониженной температуре продукта. Это может ускорять отверждение или сушку нанесённого слоя и особенно выгодно для температурочувствительных частиц, действующих веществ, ароматизаторов, биологических продуктов или чувствительных кристаллических структур. Фактическая скорость испарения зависит от уровня вакуума, растворителя, температуры продукта, площади теплопередачи, степени наполнения, производительности конденсации и движения продукта.
Термостатирование и вакуум также позволяют реализовать многоступенчатый процесс нанесения покрытия. Например, сначала может наноситься небольшое количество суспензии. Затем следует определённая фаза смешивания, растекания и сушки при регулируемой температуре или вакууме. Только когда нанесённый частичный слой достаточно отвердел, дозируется следующее количество покрытия. За счёт повторяющейся последовательности распыления, распределения, сушки или отверждения можно получить более толстый и при этом более равномерный слой, чем при однократном общем нанесении.
Многоступенчатый метод снижает риск того, что частицы долгое время остаются слишком мокрыми и слипаются. Одновременно он позволяет поэтапно контролировать нарастание слоя. Оптимальное число ступеней, количество жидкости на ступень, продолжительность распыления, время промежуточного смешивания, температуру, уровень вакуума и продолжительность отверждения необходимо разрабатывать с оригинальным продуктом.
Целенаправленное применение интенсивности
Интенсивность смешивания — не жёсткое свойство аппарата, а настраиваемый параметр процесса. Один и тот же вертикальный смеситель может работать в режиме бережного нанесения покрытия и при необходимости обеспечивать локально высокую диспергирующую способность. Если из-за подачи жидкости образуются нежелательные агломераты или необходимо равномерно распределить высоковязкую суспензию, могут применяться подключаемые режущие роторы или элементы высокого сдвига.
Эти интенсивные инструменты должны действовать только локально и ограниченно по времени. Их назначение — разрушать критичные агломераты или поддерживать распределение сложной жидкой фазы, не подвергая всю загрузку постоянной высокой механической нагрузке. Постоянно слишком высокое внесение энергии может повреждать желаемую плёнку покрытия, вызывать истирание, приводить к разрушению частиц и нежелательному нагреву продукта.
Программы смешивания могут сохранять профили дозирования, частоты вращения, продолжительность распыления, температуру, вакуум, время промежуточного и домешивания, а также применение режущих роторов в виде определённой рецептуры ПЛК. Благодаря этому каждую загрузку можно проводить с одними и теми же заданными значениями и прослеживаемо документировать. В регулируемых применениях это поддерживает прослеживаемость загрузок, анализ причин и воспроизводимое ведение процесса.
Подтверждение качества слоя
Среднего количества нанесённого материала оболочки недостаточно как единственного доказательства. Загрузка может в среднем содержать правильное количество, но при этом иметь большой разброс толщины слоя. Поэтому количество материала оболочки, распределение толщины слоя, долю агломератов, долю мелкой фракции, истирание, остаточную влажность, температуру продукта и стабильность выгрузки следует оценивать совместно.
Подходящие методы контроля зависят от продукта. Возможны гравиметрическое определение, химическая экстракция, анализ по маркеру, измерение цвета, световая микроскопия, растровая электронная микроскопия, анализ изображений частиц, поперечные шлифы, ситовой анализ, определение влажности, а также испытания растворения или высвобождения. Отбор проб должен охватывать несколько зон камеры смешивания и разнесённые во времени пробы выгрузки — из начала, середины и конца опорожнения. Так становится видно, равномерно ли распределено покрытие в камере смешивания и не повреждается ли или не сегрегирует ли оно при выгрузке, транспортировании или фасовке.
Подтверждение в испытательном центре
Даёт ли конкретная суспензия, раствор и рецептура частиц желаемое качество слоя, необходимо подтвердить испытанием. В испытательном центре amixon® на головной площадке в Падерборне доступно более 30 испытательных установок разных типоразмеров. Дополнительные испытательные центры расположены в Японии, Индии, Таиланде, Китае, Южной Корее и США.
Испытания проводятся с оригинальным продуктом, реалистичными степенями наполнения, размерами загрузок, скоростями распыления, температурами жидкости, температурами продукта, условиями давления и вакуума. Оцениваются количество материала оболочки, равномерность слоя, образование агломератов, щадящая обработка продукта, разрушение частиц, развитие температуры, скорость сушки или отверждения, остаточная влажность, стабильность выгрузки, очищаемость и воспроизводимость.
Задокументированные результаты образуют основу для технического расчёта производственного смесителя и для последующей рецептуры ПЛК. Они показывают, достаточно ли одноступенчатого нанесения распылением или требуется многоступенчатый метод с повторным распылением, термостатированием, вакуумной сушкой и домешиванием.