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气雾剂产品的抛射剂的选择

气雾剂产品的抛射剂的选择

发布时间:2015-06-24
气雾剂抛射剂的作用有几个方面,其中最基本的作用是对产品提供压力,在促动阀门时使料液能够喷射出来,同时,抛射剂也起到了稀释剂、溶剂、发泡剂,黏度调节剂或浑浊剂的作用,在某些特殊场合,它也能用于冷冻剂、吹尘剂,报警剂(例如用于船笛时)以及特殊脱蜡剂、冷催化剂、灭火剂和微生物统计等。
最常用的抛射剂是三种低级烷径;丙烷、异丁烷和正丁烷,接下来是二甲醚(DME)、l,1—2氟乙烷(HFC—152a),高压气C02、N202,N:和压缩空气(4N2/O~),剩下几种不太常用,如1,l,1,2—四氟乙烷(HFC—114a)、2—氢七氟丙烷(HFC—227ca)和用于灭火的HCFC-124/HFC—23等。还有一些气化液体,像三种戊烷,实际上不屑于抛射剂,但因其极易挥发,为安全起见,有时还是把它们当作抛射剂.
如果抛射剂可以溶解于料液(或称基质)中.则它易使料液在喷出时被击碎,产生喷雾.抛射剂与料液间的相互作用将决定能否产生雾以及雾的平均粒径和粒径分布.但当仅靠抛射剂不能产生喷雾时,可以使用各种机械击碎喷头,罐内的压力可以提供足够的动能而产
生涡流或喷雾。
要产生喷雾,抛射剂必须产生足够大的分散能去破坏液体的表面张力和其他凝聚力,假如只有少量抛射剂溶解于液体中是不足以做到这点的.例如盐水喷雾剂,虽然亢有o.69MPa的氮气,却只能产生一股有力的液流,即使是在压力高达1.6s MPa的纯水和氮气体系,也是同样的情况,除非使用机械击碎喷头。
在o,69 MPa的压力下,二氧化碳在各个馏程石油烃馏分中的溶解度可达2.6%一2.9%.使用普通阀门时,以溶剂油为料液可以产生粗糙但还算分散均匀的喷雾:但当烷烃的碳数分布高达10~16个时,喷雾变得非常粗糙,雾型有一个稠密的核心;而料液为N.P.矿物油时,喷雾效果很差,雾型凝重且几乎结成一片。当使用USP矿物油时,使用常规带锥形或是直管喷孔的喷头,都不会产生喷雾,而用带反锥形喷孔的喷头,则仅产生带有轻微表面波动的射流,或者流有一点点喷出物。所以用前者喷头,在火焰延伸试验中不足以延伸火焰:而用后者喷头.因有零星的小雾粒产生,因而能够点燃井引发着整条射流。
抛射剂的分散能是一种复杂的作用,它与压力和分子量有关连,高压的抛射剂更易于产生细小的喷雾颗粒,一个简单的例子可以说明这点.90%的乙醇与10%的102丙烷(A—i08)体系,可以产生喷雾;而90%的乙醇和10%的异丁烷体系,则具有强烈的射6R性:相应的乙醇和正丁烷体系,则几乎没有多大压力,且只能产生一股细小的液流。
抛射剂的分散性能可以恒温于2l℃为标准,并以如下简单试验进行测量:用符合“DOT-2Q标准”57mm直径的罐,充以70%体积的乙醇,对加有乙醇和阀门的罐称重,然后拿到封盖机边,用过量的气化抛射剂冲掉罐内空中的空气,井立即加上阀门并封盖,如此增加的质量便是抛射剂的质量.
再补充人抛射剂使抛射剂占总体质量的5%,在水浴中摇动使整罐的温度平衡于21'C,然后用压力表测定压力(5.74 kPa,绝对压力),便是5%抛射剂的压力。在低浓度时,压力随抛射剂的浓度成线性增加,根据大气压力(101.22 kPa,绝对压力)和罐内压力可以容易地计算出抛射剂的含量.对于低压或可液化抛射剂,此浓度(质量分数)通常在1.5%~5.o%范围,对于COz,则大约为此浓度的1/5,而氮气为此浓度的1/15.此浓度越低,说明此抛射剂的分散性越好,因而高压气体通常有更好的分散性,但也有例外。低分子量的抛射剂也表现出较好的分散性能,但同样也有例外,例如,在乙醇或丙酮中,HCFC—22比HF~12或异丁烷的分散性差得多.为安全起见,配方工作者通常应考虑使用尽可能少的抛射剂,同时也使配方中尽可能多地含有有效成分.但有时,此项通则可能会行不通,因为稍多一点的低压抛射剂有时有利于产生一种比较流畅的、不过分猛烈的喷雾.能允许使用大一点口径的阀门,并有更多的储备以补偿旁孔或使用时倒置所带来的损失,还可降低整个料液的黏度,减少发泡倾向等。工业生产参照的“准则·,可以通过对比同类产品而得到,如分析测试,咨询供应商或技术服务公司或者查询有关文献等,例如,异丁烷几乎全部用于上浆剂或织物整理上.体积分数为20%的丙烷和80%的异丁烷则仍常用于喷漆产品,如果将抛射剂乳化分散于水相产品中,促动“喷嘴式”阀门时,抛射剂便特产品“充气”变成泡沫。通常泡沫的密度在o.10g/mi左右,当密度过高时,产品显得过湿,易流动,浓重而缺乏美感.这种情形会随产品的使用而日趋严重,当抛射剂过多时,则会产生“干性”泡沫——太轻浮而无质感,并且会由于过量的抛射剂逃逸而在泡沫表面形成·麻点”。通常剃须泡沫有3.8%一4.1%的A-46,而摩丝配方则是6%~7%,而浴缸用的“泡泡浴”中则高达22%一26~A-70.此类产品也包括一些如水—乙醇体系的“快爆”型泡沫产品和一些相对少见的非水基产品。后一类产品由PESanders博士(杜邦公司)首先介绍,使用丙二醇或更高级多元醇为基质,硬脂/鲸蜡醇聚氧乙烯醚(1),硬脂醇聚氧乙烯醚(2)等非离子表面活性剂为乳化剂制成.
为了确定最低的充气比例和浓度,配方工作者也必须考虑生产过程。目前有许多种类的充气机,但都有一些局限性。在美国,多数气雾剂是通过u—t-C(盖下充气)装置生产出来的,抛射剂通过轻微抬起的封口杯底充入罐中,如此便不受阀门流量不同带来的限制,主要缺点是机械设计过于复杂,气体流失过多,当充气量很少(in旅行用剃须泡沫)时难以准确定量.从机器的数量上讲,丁—,v(通过阀门)充气机最多,充填速度由每分钟20罐至超过300罐。要达到预期能力,尤其是对于大体积量的抛射剂充填,要求机器有增压充填阀.而且很多时候喷头要在充气后再安上。此种类型的机9e较适于小规模生产,每分钟的生产速度小于50罐.充压缩气时定量不准确的事例几乎是数不胜数的.所以配方工作者首先应熟悉此类产品的充填技术,如振播充气、瞬时冲击充气、部分预饱和、完全预饱和等,以便有效、准确地用现有设备生产此类产品,或者能选择好合适代灌装厂。
美国食品和药品管理局(FDA)允许下列抛射剂用于食品气雾剂中:丙烷、异丁烷、正丁烷、二氧化碳、氧化亚氮、氮气、压缩空气.过去也用过不可燃的氟里昂食品抛射剂HFC-318(全氟丁烷)和CHF-115(单氯五氟乙烷),现在不再用了.有些奇怪的是,HFC—11、HFC-12和HFC—152也曾用于数百万罐的食品气雾剂中,如今也不再用了。如果一家公司要生产、出口食品气雾剂,就应该考虑不同国家地区的有关法规.在英国禁止使用烃抛射剂,而在欧洲一些国家,则认为氧化亚氟不能用于食品中,尽管在过去40年里,美国已消耗掉了近20亿罐含此类抛射剂的掼奶油产品。
只要测试数据确凿,二甲醚(DME)极可能被批准为食品级气雾剂抛射剂.然而,在美国FDA的要求下,耗资巨大的测试工作仍在进行中,因而诙抛射剂暂不能使用.但已有此方面应用的美国专利——一篇关于将DME用于炊具润滑喷雾剂的配方专利,虽然此专利可能永远不能得到应用。HFC 134a(1,l,l,2—四氟乙烷)几乎毫无疑问地可以通过各种测试而作为一种食品的抛射剂列入GRAS(一般安全认可),但研究费用及对其温室潜能(2250倍于C02)的顾虑都极大地打击了企业从事此方面测试工作的积极性。
在可用于食品的抛射剂中,只有烃液化气屑于挥发性有机化合物(VOCs),所以导致加州和纽约州限制其在炊具润滑喷雾剂中的含量(质量分数)不得大于18%,尽管有企业争辩只有超过18%的用量才能使产品有好的性能而得以生存.但CARB和DEC的当权者依旧无动于衷.
产品和包装的种类通常极大地影响抛射剂的选择,法规则决定什么样的成分可以选用。例如,尽管二氯甲烷曾被用于数十亿罐的化妆用品及药物中而没有过有副作用的报告,但其已被禁止用于此两类用品之中;而且,美国环境保护署已将此溶剂作为一种经济性毒药成分而禁止使用,CPSC则要求企业应自动削减产量.所有这些,都是将那些证实二氯甲烷对人类无诱变性、无致癌性的可靠的临床数据置之度外,目前,许多临床或是环境方面的因素已阻碍了几乎所有的氯化物溶剂的应用,所以配方工作者应仔细考虑如何选择剩下的少数几种。
如果一种产品落人EPS的管辖范围,市场商就必须意识到,在配方工作者及其他工程师拿出一个完整的产品之后,还必须花两年到三年的时间进行注册,这使某些商业计划(尤其是与进口产品对比)变得愚昧可笑,同时也阻碍了杀虫剂、除草剂及类似产品中新的活性成分的引入和使用。所以,了解EPA的管辖范围很重要,例如,昆虫驱避剂用于皮肤,属于EPA管辖:而抗袭剂,当针对动物(如处于攻击状态的熊、疯狂的臭鼬、凶恶的狗等)时,属于EPA管,而针对人时,则不属于其管。还有一例,对于一种用于防蚂蚁等昆虫的聚丁烯—20型的·树带”产品,EPA对此是否应该注册的问题已有几次反复。
那些属于EPA和CPSC管辖的产品,在上市前必须先进行临床及燃烧性方面的测试。临床方面有五种测试:皮肤刺激、服刺激、刚R毒性、吸入毒性及腐蚀性,有时还需做皮肤过敏性试验.无论何种情况,都必须遵守法规中的每一条准则,除非EPA准则中有更多的规定可以替代CPSC的要求。一些大的市场商如此做,是因为相信这样更可靠,此钱值得一花.FDA对大多数化妆盥洗用品及食品不要求这些试验,但要求市场商保证产品无潜在的危险性,否则应标志说明。
运输部的规则包括气雾剂的跨州运输,容器的体积必须小于1000 mI,且如果容量大于118.2 ml,分散器必须是金属,通常是马口铁、不锈钢或铝造的.其他还有许多规则,包括最小金属厚度、压力限制、热烤等,针对这些规则,近几年的《喷雾技术与市场》杂志有关文章有过描述.
产品料液的配方也会影响到抛射剂的选择,含有大量油或有机溶剂的乳液将会使抛射剂的压力减小,这样便需要考虑选择更高压力的抛射剂或增加抛射剂的比例.例如,有一种煤炭引火泡沫,其中含有由95.7%无臭煤油和4%水及一点乳化剂组成的相当黏稠的乳液,这使得抛射剂得花费很长时间才能扩散到整个乳液内部。结果,当充入15%的异丁烷作抛射剂时,在开始2天使用的效果还可以,但随着时间推移,抛射剂慢慢溶入神相中,罐内压力减小到几乎为零;最终,选择了15%的丙烷作抛射剂才保证了效果。但在剐充人时,在54.5℃下,罐内的压力又超过了罐能忍受的平衡压力,所以进行热水浴检查只能在38'C',否则在此过程中必然有许多罐爆炸。
对喷发胶的最大体积分数为80%VOC含量的规定,使得以往20%一25%异丁烷抛射剂的配方不再适用,要保持常温状态下不分层和不出现浊点,只好使用30%~“%的二甲醚(DME)。有些厂商出于经济或其他方面的考虑而使用二甲醚和石油气混合物,当然,如此做便要小心选择二甲醚和石油气的配比,以保证均相及浊点在o℃以下,通常烃的用量超过14%便可能出现问题。
有一些料液(乳液或胶等)表现出一个固定的流动点,在常温、常压下仅仅依靠重力不能够自由流动,在这种情况下.只好采用特殊的灌装设备.有时,仅用l%左右的少量抛射剂能够使这种料液漂动起来,但很快就又因形成了黏稠的泡沫而又“僵住”了。此种情形往往使得此类产品难以投产,但市面上也出现了此类的两种牙膏及一些凝胶等。另外有一些家具上光剂及薄饼奶油,在用1%~2%的高压抛射剂稀释后,黏度奇怪地减小了。
有些产品最好采用二元喷雾包装系统(含内囊罐及活塞罐等),此种产品必须保证经过数月的储存,2—49℃料液不会分层或成分分布不均。因为此种产品很难用摇晃的方法使其重变为均相,此外,无论是采用盖下充气(U-t-C)或是充气后嵌入胶塞的方式,都必须保证抛射剂不会通过内囊或是活塞与罐壁间的缝隙渗入料液当中,否则,清沏透明的后发泡胶将会变得有些浑浊和部分预发泡,锂脂挤出来时会松松散散等.内囊与料液的相容性最好采用在49'C热储存的方式来检验,这种老化试验将会显示出是否会有夹层脱落或是内囊泄漏、破裂等.
有时,包含于内囊或是活塞上部的料液会在压力下发生性状改变。例如.花生酱在此包装中,花生油会漂移到顶部,而固态的渣子则沉积在底部,结成坚硬的一层而不能喷出,将生渣磨得更细或是外相选用压力低一些的抛射剂,都会使问题改善甚至解决。
制造泡沫型产品时,最好使用水不溶的抛射剂以增加泡沫的稳定性,有时也加入一些非常细的硅胶或其他固体颗粒.有些厂家用减小硅酸钠溶液pH值的方法,使硅酸沉淀出来而形成·微末”硅.有许多用于儿童洗澡时玩耍的气雾剂泡沫,商品名称有“LooneyTunes”、“Barbie'’、“Bathtime'’等,几乎所有这些产品都是彩色的:粉虹色,蓝色,黄色等。但当使用某些水溶性的抛射剂代替烷烃类抛射剂时,泡沫会相对不稳定,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浇头用1.77~ff0N~O为发泡剂亦曾发生过这种情况,释放1~2 mln后淡棕色的表层变暗,最终几乎变成黑色,加少量水不溶性抛射剂后便解决了这个问题.
阀门的不同也会影响抛射剂的选择.大多数产品都保持一个比较固定的喷射(发泡)速率,否则会发生喷射过量或泡沫过大的现象.同时,产品的可燃性也会随喷射速串的增加而增大。所以,当某些产品需要采用大孔径阀门以防止堵塞或结膜时,就需要采用低压的抛射剂以防止喷射过量,有时采用混合丁烷来达到此效果.
需要大的圆肩和大?L径粉末阀的抗汗剂采用气孔设计有利于降流串,它们通常用异丁烷之类低压抛射剂.不推荐用混合丁烷的原因之一是在产品使用过程中,气孔持续地·窃取”富含异丁烷的气相抛射剂。最后罐内的压力将下降到纯iET烷的压力,即21'C时o.115MPa,这样,使用者感到不舒服,而且由于流率是如此之低,因而不足以吹出积聚在阀门系统的粉末从而造成阀门堵塞。
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