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氣霧劑產(chǎn)品的拋射劑的選擇

來(lái)源:本站 | 2021-08-02

氣霧劑拋射劑的作用有幾個(gè)方面,其中最基本的作用是對產(chǎn)品提供壓力,在促動(dòng)閥門(mén)時(shí)使料液能夠噴射出來(lái),同時(shí),拋射劑也起到了稀釋劑、溶劑、發(fā)泡劑,黏度調節劑或渾濁劑的作用,在某些特殊場(chǎng)合,它也能用于冷凍劑、吹塵劑,報警劑(例如用于船笛時(shí))以及特殊脫蠟劑、冷催化劑、滅火劑和微生物統計等。
最常用的拋射劑是三種低級烷徑;丙烷、異丁烷和正丁烷,接下來(lái)是二甲醚(DME)、l,1—2氟乙烷(HFC—152a),高壓氣C02、N202,N:和壓縮空氣(4N2/O~),剩下幾種不太常用,如1,l,1,2—四氟乙烷(HFC—114a)、2—氫七氟丙烷(HFC—227ca)和用于滅火的HCFC-124/HFC—23等。還有一些氣化液體,像三種戊烷,實(shí)際上不屑于拋射劑,但因其極易揮發(fā),為安全起見(jiàn),有時(shí)還是把它們當作拋射劑.
如果拋射劑可以溶解于料液(或稱(chēng)基質(zhì))中.則它易使料液在噴出時(shí)被擊碎,產(chǎn)生噴霧.拋射劑與料液間的相互作用將決定能否產(chǎn)生霧以及霧的平均粒徑和粒徑分布.但當僅靠拋射劑不能產(chǎn)生噴霧時(shí),可以使用各種機械擊碎噴頭,罐內的壓力可以提供足夠的動(dòng)能而產(chǎn)
生渦流或噴霧。
要產(chǎn)生噴霧,拋射劑必須產(chǎn)生足夠大的分散能去破壞液體的表面張力和其他凝聚力,假如只有少量拋射劑溶解于液體中是不足以做到這點(diǎn)的.例如鹽水噴霧劑,雖然亢有o.69MPa的氮氣,卻只能產(chǎn)生一股有力的液流,即使是在壓力高達1.6s MPa的純水和氮氣體系,也是同樣的情況,除非使用機械擊碎噴頭。
在o,69 MPa的壓力下,二氧化碳在各個(gè)餾程石油烴餾分中的溶解度可達2.6%一2.9%.使用普通閥門(mén)時(shí),以溶劑油為料液可以產(chǎn)生粗糙但還算分散均勻的噴霧:但當烷烴的碳數分布高達10~16個(gè)時(shí),噴霧變得非常粗糙,霧型有一個(gè)稠密的核心;而料液為N.P.礦物油時(shí),噴霧效果很差,霧型凝重且幾乎結成一片。當使用USP礦物油時(shí),使用常規帶錐形或是直管?chē)娍椎膰婎^,都不會(huì )產(chǎn)生噴霧,而用帶反錐形噴孔的噴頭,則僅產(chǎn)生帶有輕微表面波動(dòng)的射流,或者流有一點(diǎn)點(diǎn)噴出物。所以用前者噴頭,在火焰延伸試驗中不足以延伸火焰:而用后者噴頭.因有零星的小霧粒產(chǎn)生,因而能夠點(diǎn)燃井引發(fā)著(zhù)整條射流。
拋射劑的分散能是一種復雜的作用,它與壓力和分子量有關(guān)連,高壓的拋射劑更易于產(chǎn)生細小的噴霧顆粒,一個(gè)簡(jiǎn)單的例子可以說(shuō)明這點(diǎn).90%的乙醇與10%的102丙烷(A—i08)體系,可以產(chǎn)生噴霧;而90%的乙醇和10%的異丁烷體系,則具有強烈的射6R性:相應的乙醇和正丁烷體系,則幾乎沒(méi)有多大壓力,且只能產(chǎn)生一股細小的液流。
拋射劑的分散性能可以恒溫于2l℃為標準,并以如下簡(jiǎn)單試驗進(jìn)行測量:用符合“DOT-2Q標準”57mm直徑的罐,充以70%體積的乙醇,對加有乙醇和閥門(mén)的罐稱(chēng)重,然后拿到封蓋機邊,用過(guò)量的氣化拋射劑沖掉罐內空中的空氣,井立即加上閥門(mén)并封蓋,如此增加的質(zhì)量便是拋射劑的質(zhì)量.
再補充人拋射劑使拋射劑占總體質(zhì)量的5%,在水浴中搖動(dòng)使整罐的溫度平衡于21'C,然后用壓力表測定壓力(5.74 kPa,絕對壓力),便是5%拋射劑的壓力。在低濃度時(shí),壓力隨拋射劑的濃度成線(xiàn)性增加,根據大氣壓力(101.22 kPa,絕對壓力)和罐內壓力可以容易地計算出拋射劑的含量.對于低壓或可液化拋射劑,此濃度(質(zhì)量分數)通常在1.5%~5.o%范圍,對于COz,則大約為此濃度的1/5,而氮氣為此濃度的1/15.此濃度越低,說(shuō)明此拋射劑的分散性越好,因而高壓氣體通常有更好的分散性,但也有例外。低分子量的拋射劑也表現出較好的分散性能,但同樣也有例外,例如,在乙醇或丙酮中,HCFC—22比HF~12或異丁烷的分散性差得多.為安全起見(jiàn),配方工作者通常應考慮使用盡可能少的拋射劑,同時(shí)也使配方中盡可能多地含有有效成分.但有時(shí),此項通則可能會(huì )行不通,因為稍多一點(diǎn)的低壓拋射劑有時(shí)有利于產(chǎn)生一種比較流暢的、不過(guò)分猛烈的噴霧.能允許使用大一點(diǎn)口徑的閥門(mén),并有更多的儲備以補償旁孔或使用時(shí)倒置所帶來(lái)的損失,還可降低整個(gè)料液的黏度,減少發(fā)泡傾向等。工業(yè)生產(chǎn)參照的“準則·,可以通過(guò)對比同類(lèi)產(chǎn)品而得到,如分析測試,咨詢(xún)供應商或技術(shù)服務(wù)公司或者查詢(xún)有關(guān)文獻等,例如,異丁烷幾乎全部用于上漿劑或織物整理上.體積分數為20%的丙烷和80%的異丁烷則仍常用于噴漆產(chǎn)品,如果將拋射劑乳化分散于水相產(chǎn)品中,促動(dòng)“噴嘴式”閥門(mén)時(shí),拋射劑便特產(chǎn)品“充氣”變成泡沫。通常泡沫的密度在o.10g/mi左右,當密度過(guò)高時(shí),產(chǎn)品顯得過(guò)濕,易流動(dòng),濃重而缺乏美感.這種情形會(huì )隨產(chǎn)品的使用而日趨嚴重,當拋射劑過(guò)多時(shí),則會(huì )產(chǎn)生“干性”泡沫——太輕浮而無(wú)質(zhì)感,并且會(huì )由于過(guò)量的拋射劑逃逸而在泡沫表面形成·麻點(diǎn)”。通常剃須泡沫有3.8%一4.1%的A-46,而摩絲配方則是6%~7%,而浴缸用的“泡泡浴”中則高達22%一26~A-70.此類(lèi)產(chǎn)品也包括一些如水—乙醇體系的“快爆”型泡沫產(chǎn)品和一些相對少見(jiàn)的非水基產(chǎn)品。后一類(lèi)產(chǎn)品由PESanders博士(杜邦公司)首先介紹,使用丙二醇或更高級多元醇為基質(zhì),硬脂/鯨蠟醇聚氧乙烯醚(1),硬脂醇聚氧乙烯醚(2)等非離子表面活性劑為乳化劑制成.
為了確定最低的充氣比例和濃度,配方工作者也必須考慮生產(chǎn)過(guò)程。目前有許多種類(lèi)的充氣機,但都有一些局限性。在美國,多數氣霧劑是通過(guò)u—t-C(蓋下充氣)裝置生產(chǎn)出來(lái)的,拋射劑通過(guò)輕微抬起的封口杯底充入罐中,如此便不受閥門(mén)流量不同帶來(lái)的限制,主要缺點(diǎn)是機械設計過(guò)于復雜,氣體流失過(guò)多,當充氣量很少(in旅行用剃須泡沫)時(shí)難以準確定量.從機器的數量上講,丁—,v(通過(guò)閥門(mén))充氣機最多,充填速度由每分鐘20罐至超過(guò)300罐。要達到預期能力,尤其是對于大體積量的拋射劑充填,要求機器有增壓充填閥.而且很多時(shí)候噴頭要在充氣后再安上。此種類(lèi)型的機9e較適于小規模生產(chǎn),每分鐘的生產(chǎn)速度小于50罐.充壓縮氣時(shí)定量不準確的事例幾乎是數不勝數的.所以配方工作者首先應熟悉此類(lèi)產(chǎn)品的充填技術(shù),如振播充氣、瞬時(shí)沖擊充氣、部分預飽和、完全預飽和等,以便有效、準確地用現有設備生產(chǎn)此類(lèi)產(chǎn)品,或者能選擇好合適代灌裝廠(chǎng)。
美國食品和藥品管理局(FDA)允許下列拋射劑用于食品氣霧劑中:丙烷、異丁烷、正丁烷、二氧化碳、氧化亞氮、氮氣、壓縮空氣.過(guò)去也用過(guò)不可燃的氟里昂食品拋射劑HFC-318(全氟丁烷)和CHF-115(單氯五氟乙烷),現在不再用了.有些奇怪的是,HFC—11、HFC-12和HFC—152也曾用于數百萬(wàn)罐的食品氣霧劑中,如今也不再用了。如果一家公司要生產(chǎn)、出口食品氣霧劑,就應該考慮不同國家地區的有關(guān)法規.在英國禁止使用烴拋射劑,而在歐洲一些國家,則認為氧化亞氟不能用于食品中,盡管在過(guò)去40年里,美國已消耗掉了近20億罐含此類(lèi)拋射劑的摜奶油產(chǎn)品。
只要測試數據確鑿,二甲醚(DME)極可能被批準為食品級氣霧劑拋射劑.然而,在美國FDA的要求下,耗資巨大的測試工作仍在進(jìn)行中,因而詼拋射劑暫不能使用.但已有此方面應用的美國專(zhuān)利——一篇關(guān)于將DME用于炊具潤滑噴霧劑的配方專(zhuān)利,雖然此專(zhuān)利可能永遠不能得到應用。HFC 134a(1,l,l,2—四氟乙烷)幾乎毫無(wú)疑問(wèn)地可以通過(guò)各種測試而作為一種食品的拋射劑列入GRAS(一般安全認可),但研究費用及對其溫室潛能(2250倍于C02)的顧慮都極大地打擊了企業(yè)從事此方面測試工作的積極性。
在可用于食品的拋射劑中,只有烴液化氣屑于揮發(fā)性有機化合物(VOCs),所以導致加州和紐約州限制其在炊具潤滑噴霧劑中的含量(質(zhì)量分數)不得大于18%,盡管有企業(yè)爭辯只有超過(guò)18%的用量才能使產(chǎn)品有好的性能而得以生存.但CARB和DEC的當權者依舊無(wú)動(dòng)于衷.
產(chǎn)品和包裝的種類(lèi)通常極大地影響拋射劑的選擇,法規則決定什么樣的成分可以選用。例如,盡管二氯甲烷曾被用于數十億罐的化妝用品及藥物中而沒(méi)有過(guò)有副作用的報告,但其已被禁止用于此兩類(lèi)用品之中;而且,美國環(huán)境保護署已將此溶劑作為一種經(jīng)濟性毒藥成分而禁止使用,CPSC則要求企業(yè)應自動(dòng)削減產(chǎn)量.所有這些,都是將那些證實(shí)二氯甲烷對人類(lèi)無(wú)誘變性、無(wú)致癌性的可靠的臨床數據置之度外,目前,許多臨床或是環(huán)境方面的因素已阻礙了幾乎所有的氯化物溶劑的應用,所以配方工作者應仔細考慮如何選擇剩下的少數幾種。
如果一種產(chǎn)品落人EPS的管轄范圍,市場(chǎng)商就必須意識到,在配方工作者及其他工程師拿出一個(gè)完整的產(chǎn)品之后,還必須花兩年到三年的時(shí)間進(jìn)行注冊,這使某些商業(yè)計劃(尤其是與進(jìn)口產(chǎn)品對比)變得愚昧可笑,同時(shí)也阻礙了殺蟲(chóng)劑、除草劑及類(lèi)似產(chǎn)品中新的活性成分的引入和使用。所以,了解EPA的管轄范圍很重要,例如,昆蟲(chóng)驅避劑用于皮膚,屬于EPA管轄:而抗襲劑,當針對動(dòng)物(如處于攻擊狀態(tài)的熊、瘋狂的臭鼬、兇惡的狗等)時(shí),屬于EPA管,而針對人時(shí),則不屬于其管。還有一例,對于一種用于防螞蟻等昆蟲(chóng)的聚丁烯—20型的·樹(shù)帶”產(chǎn)品,EPA對此是否應該注冊的問(wèn)題已有幾次反復。
那些屬于EPA和CPSC管轄的產(chǎn)品,在上市前必須先進(jìn)行臨床及燃燒性方面的測試。臨床方面有五種測試:皮膚刺激、服刺激、剛R毒性、吸入毒性及腐蝕性,有時(shí)還需做皮膚過(guò)敏性試驗.無(wú)論何種情況,都必須遵守法規中的每一條準則,除非EPA準則中有更多的規定可以替代CPSC的要求。一些大的市場(chǎng)商如此做,是因為相信這樣更可靠,此錢(qián)值得一花.FDA對大多數化妝盥洗用品及食品不要求這些試驗,但要求市場(chǎng)商保證產(chǎn)品無(wú)潛在的危險性,否則應標志說(shuō)明。
運輸部的規則包括氣霧劑的跨州運輸,容器的體積必須小于1000 mI,且如果容量大于118.2 ml,分散器必須是金屬,通常是馬口鐵、不銹鋼或鋁造的.其他還有許多規則,包括最小金屬厚度、壓力限制、熱烤等,針對這些規則,近幾年的《噴霧技術(shù)與市場(chǎng)》雜志有關(guān)文章有過(guò)描述.
產(chǎn)品料液的配方也會(huì )影響到拋射劑的選擇,含有大量油或有機溶劑的乳液將會(huì )使拋射劑的壓力減小,這樣便需要考慮選擇更高壓力的拋射劑或增加拋射劑的比例.例如,有一種煤炭引火泡沫,其中含有由95.7%無(wú)臭煤油和4%水及一點(diǎn)乳化劑組成的相當黏稠的乳液,這使得拋射劑得花費很長(cháng)時(shí)間才能擴散到整個(gè)乳液內部。結果,當充入15%的異丁烷作拋射劑時(shí),在開(kāi)始2天使用的效果還可以,但隨著(zhù)時(shí)間推移,拋射劑慢慢溶入神相中,罐內壓力減小到幾乎為零;最終,選擇了15%的丙烷作拋射劑才保證了效果。但在剮充人時(shí),在54.5℃下,罐內的壓力又超過(guò)了罐能忍受的平衡壓力,所以進(jìn)行熱水浴檢查只能在38'C',否則在此過(guò)程中必然有許多罐爆炸。
對噴發(fā)膠的最大體積分數為80%VOC含量的規定,使得以往20%一25%異丁烷拋射劑的配方不再適用,要保持常溫狀態(tài)下不分層和不出現濁點(diǎn),只好使用30%~“%的二甲醚(DME)。有些廠(chǎng)商出于經(jīng)濟或其他方面的考慮而使用二甲醚和石油氣混合物,當然,如此做便要小心選擇二甲醚和石油氣的配比,以保證均相及濁點(diǎn)在o℃以下,通常烴的用量超過(guò)14%便可能出現問(wèn)題。
有一些料液(乳液或膠等)表現出一個(gè)固定的流動(dòng)點(diǎn),在常溫、常壓下僅僅依靠重力不能夠自由流動(dòng),在這種情況下.只好采用特殊的灌裝設備.有時(shí),僅用l%左右的少量拋射劑能夠使這種料液漂動(dòng)起來(lái),但很快就又因形成了黏稠的泡沫而又“僵住”了。此種情形往往使得此類(lèi)產(chǎn)品難以投產(chǎn),但市面上也出現了此類(lèi)的兩種牙膏及一些凝膠等。另外有一些家具上光劑及薄餅奶油,在用1%~2%的高壓拋射劑稀釋后,黏度奇怪地減小了。
有些產(chǎn)品最好采用二元噴霧包裝系統(含內囊罐及活塞罐等),此種產(chǎn)品必須保證經(jīng)過(guò)數月的儲存,2—49℃料液不會(huì )分層或成分分布不均。因為此種產(chǎn)品很難用搖晃的方法使其重變?yōu)榫?,此外,無(wú)論是采用蓋下充氣(U-t-C)或是充氣后嵌入膠塞的方式,都必須保證拋射劑不會(huì )通過(guò)內囊或是活塞與罐壁間的縫隙滲入料液當中,否則,清沏透明的后發(fā)泡膠將會(huì )變得有些渾濁和部分預發(fā)泡,鋰脂擠出來(lái)時(shí)會(huì )松松散散等.內囊與料液的相容性最好采用在49'C熱儲存的方式來(lái)檢驗,這種老化試驗將會(huì )顯示出是否會(huì )有夾層脫落或是內囊泄漏、破裂等.
有時(shí),包含于內囊或是活塞上部的料液會(huì )在壓力下發(fā)生性狀改變。例如.花生醬在此包裝中,花生油會(huì )漂移到頂部,而固態(tài)的渣子則沉積在底部,結成堅硬的一層而不能?chē)姵?,將生渣磨得更細或是外相選用壓力低一些的拋射劑,都會(huì )使問(wèn)題改善甚至解決。
制造泡沫型產(chǎn)品時(shí),最好使用水不溶的拋射劑以增加泡沫的穩定性,有時(shí)也加入一些非常細的硅膠或其他固體顆粒.有些廠(chǎng)家用減小硅酸鈉溶液pH值的方法,使硅酸沉淀出來(lái)而形成·微末”硅.有許多用于兒童洗澡時(shí)玩耍的氣霧劑泡沫,商品名稱(chēng)有“LooneyTunes”、“Barbie'’、“Bathtime'’等,幾乎所有這些產(chǎn)品都是彩色的:粉虹色,藍色,黃色等。但當使用某些水溶性的拋射劑代替烷烴類(lèi)拋射劑時(shí),泡沫會(huì )相對不穩定,泡沫表面的色彩很快便暗淡、消失,泡沫破碎。
有些巧克力香冰淇淋澆頭用1.77~ff0N~O為發(fā)泡劑亦曾發(fā)生過(guò)這種情況,釋放1~2 mln后淡棕色的表層變暗,最終幾乎變成黑色,加少量水不溶性?huà)伾鋭┖蟊憬鉀Q了這個(gè)問(wèn)題.
閥門(mén)的不同也會(huì )影響拋射劑的選擇.大多數產(chǎn)品都保持一個(gè)比較固定的噴射(發(fā)泡)速率,否則會(huì )發(fā)生噴射過(guò)量或泡沫過(guò)大的現象.同時(shí),產(chǎn)品的可燃性也會(huì )隨噴射速串的增加而增大。所以,當某些產(chǎn)品需要采用大孔徑閥門(mén)以防止堵塞或結膜時(shí),就需要采用低壓的拋射劑以防止噴射過(guò)量,有時(shí)采用混合丁烷來(lái)達到此效果.
需要大的圓肩和大?L徑粉末閥的抗汗劑采用氣孔設計有利于降流串,它們通常用異丁烷之類(lèi)低壓拋射劑.不推薦用混合丁烷的原因之一是在產(chǎn)品使用過(guò)程中,氣孔持續地·竊取”富含異丁烷的氣相拋射劑。最后罐內的壓力將下降到純iET烷的壓力,即21'C時(shí)o.115MPa,這樣,使用者感到不舒服,而且由于流率是如此之低,因而不足以吹出積聚在閥門(mén)系統的粉末從而造成閥門(mén)堵塞。

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