超細粉碎是指將粗顆粒物料粉碎至粒徑小于 10~25μm 的單元操作? 當物料被粉碎至粒徑小于 10 μm后,超細顆粒具有高表面活性?空隙率和表面能,從而賦予物料優良的溶解性?吸附性?流動性及獨特的光?電? 磁等性能? 超細粉碎技術被廣泛應用于食品?醫藥?信息材料?微電子?保溫材料?高級耐火材料?高技術陶瓷?涂料?填料和新材料產業?
氣流粉碎機作為對粉體實現超微粉碎的最有效裝備之一,采用超音速氣流沖擊物料,使物料相互碰撞,從而達到超細粉碎的目的,因此氣流粉碎設備操作簡單,無污染,產品純度高,活性保持良好,粉體分散性好,粒度小且分布較窄,顆粒表面光滑,特別適用于熱敏性和濕敏性藥物的超細粉碎。 國際上 25%的氣流粉碎機被用于制備超細藥物,但是氣流粉碎技術應用于化妝品中活性物的微粉化或產品制作的報道很少。
隨著近 20 年我國化妝品工業的高速發展,大量生物活性物和中草藥粉被廣泛應用于各類化妝品中,但是原料的顆粒大,存在低溫難溶于水或直接應用難以被皮膚吸收的問題。 通過對活性物原料進行超細粉碎,可以大大降低活性物的溶解溫度,有利于活性的保持和透皮吸收。 另外,氣流粉碎技術應用于高檔壓粉類彩妝品制造,改善粉體結構,對壓粉性能和產品質量都有很大提高。 氣流粉碎技術在化妝品行業中有著廣闊的應用前景。
本文中對一種扁平式圓盤氣流磨的結構及工作原理進行論述,結合在壓粉類化妝品及一些功能性化妝品中的實用例子,提出氣流粉碎技術在該領域的改進發展方向。
1 圓盤式氣流磨的結構及工作原理
圓盤式氣流磨是醫藥和化妝品行業中常用的超細粉碎設備,圖 1 所示為瑞士 APTM 公司 CJ3000X 型圓盤式氣流磨的結構。 該氣流磨由扁平圓柱形研磨室、供料裝置、Delaval 型噴嘴、粉體接收裝置和氣流連接器組成。
料斗內的物料經螺桿送到噴嘴口,由 B 處氣流(壓力約為 0.7 MPa,速度為音速的 2~2.5 倍)推動加速至 300~500 m/s, 經文丘里噴嘴沿切線方向噴入磨腔,氣流在噴嘴出口產生絕熱膨脹,使物料溫度降低, 進入磨腔的顆粒在氣流作用下形成渦流運動。同時,C 處氣流(壓力、速度與 B 處的相同)被送入磨腔外側, 經氣孔環上的小孔沿一定的角度噴入磨腔,對顆粒的運動產生 2 個方向的作用力:一個是沿壁方向加速顆粒的運動, 為顆粒之間的碰撞進一步提供動能; 另一個是沿圓心方向對顆粒作用產生向心力,迫使顆粒向圓心運動。 在這 2 種力的作用下,顆粒的運行軌跡呈螺旋渦流式運動。 在此過程中發生顆粒之間的相互碰撞,導致顆粒變小。 隨著小顆粒質量減小,離心力減?。划旑w粒受到的向心力大于離心力時,顆粒向中心運動,而大顆粒因離心力大而又返回壁方向一側進一步加速、碰撞。 進到中心的微細顆粒氣流受到中心分級器的阻力作用,氣流改變運動方向,進入下面錐形套筒;旋風分離作用使得顆粒與筒壁碰撞失去動能,落入下面的細粉收集桶內,而更小的顆粒則隨著氣流經上部分級器進入收集器中。
C 處氣流經噴嘴環噴入磨腔的角度及磨腔半徑對顆粒的細度及粒徑分布有重要影響。 研磨不同的物料需用不同的噴嘴環,以獲得最佳研磨角。瑞士 APTM公司開發了研磨角為 18~45°的系列噴嘴環,噴嘴環與磨腔直徑的理想配合與研磨料的特性相關,需要在大量實驗的基礎上建立數學模型,計算設計出相應的氣流粉碎機的結構。
2 氣流粉碎機在化妝品中的應用
2.1 著色劑和填充粉體的微粉化
著色劑和填充粉料大量應用于化妝品中的粉底、眼影及粉餅類產品,配方師希望這些粉料能均勻地分散于乳化體系中,然后使用少量的懸浮劑,以達到粉體穩定分散的目的, 并同時表現出良好的基色表現力和細膩潤滑的膚感。 這要求粉體除了具備與乳化體系具有良好的親合性外, 還必須具有足夠的細度。
目前,化妝品行業中應用的粉體研磨設備主要以三輥研磨機、膠體磨、球磨機等,但是這些濕法研磨設備存在產品粒度分布寬, 需要加入甘油或油類物質濕潤色料,導致研磨過程易滋生微生物,設備有死角,不易清洗、消毒等問題。 氣流磨機與物料接觸部分采用鏡面設計,易于清洗、消毒,全密封體系對物料無染,產品粒徑均勻,粒度分布窄,非常適用于色料和粉體填充劑的生產流程。 眼影粉的工藝流程如圖 2 所示。
圖 2 眼影粉的制造流程
氣流粉碎機的工藝流程如圖 3 所示。 粉料首先在混合器中混勻、噴油后進一步軋碎,然后轉入氣流磨的料斗,用螺桿送至噴嘴,被壓縮空氣加速進入磨腔,研磨的細粉收集于下部桶內,超細粉通過布袋排氣后收集。 氣壓與送料速度是影響磨粉效果的重要因素。氣壓通過壓力報警裝置控制, 當壓力小于設定值時,系統自動停機。 供料過快,會導致磨腔及噴嘴的堵塞;供料過慢,則導致顆粒之間的碰撞頻率減小,不能有效研磨。 通過控制螺桿的轉速可以實現穩定的供料速度。 不同尺寸的氣流粉碎機要求的送料速度不同,如表 1 所示。
在眼影粉的制造過程中,粉料及著色劑的超細粉碎可通過氣流粉碎機或錘式粉碎機實現。 經過 2 種方式粉碎的粉料采用 MicrotracS3500 粒度測定儀測定粒徑分布,結果如圖 4 所示。 由圖可知,經過氣流粉碎機研磨的粉料粒度更小,分布更窄。
氣流粉碎機與錘式磨粉機的壓粉性能對比如表2所示。 由表可知,粒徑小、粒度均勻分布的粉料具有優異的壓粉性能。 氣流粉碎機制備的粉料所用壓力小,起粉性能更加優異。 眼影粉在附著性、柔滑性及絨膜性等使用感方面表現更佳。
2.2 活性原料的微粉化
微粉化后的活性物原料水溶性更佳,有利于活性的保持。 如護膚品中具有抗菌作有的尿囊素、穿心蓮內酯,需要在 80 ℃時溶解 2 h,如果經過超細粉碎,在80 ℃時只需幾分鐘便可溶解, 極大地保持了抗菌活性。維生素 C(簡稱 VC)及其衍生物(如 VC 糖甙)常用于美白化妝品中,但是在貯存過程中,即使在避光的情況下產品也極易變黃,VC 被氧化而失去活性。 如果在制作過程中不先將 VC 溶于基質中, 而是在消費者使用時通過泵壓裝置將 VC 與基質混合, 將 VC 溶于基質中,便可完全利用 VC 的活性,但是市售 VC 的粒徑均為 100~200 μm,不能實現快速溶解。 如果經過超細粉碎,使粒徑減小至小于 10 μm,VC 便能快速溶解于基質溶液中, 利用此類技術的面膜化妝品已有市售。
珍珠粉含有豐富的氨基酸和各種微量元素,具有滋養、美白等多種功效,市售水不溶性珍珠粉粒徑均為 400~800 μm,直接服用基本上不能吸收,而通過乳酸處理的珍珠雖然可水溶, 但是氨基酸會部分酸解。通過超細粉碎, 可將珍珠粉碎至粒徑小于 0.1 μm,以利于皮膚直接吸收。
除了活性物的超細粉碎外,氣流粉碎機還可用于膠體的超細粉碎,以利于膠體的快速分散、溶解。 這些膠體有阿拉伯膠、卡拉膠及果膠等黏多糖物質,以及明膠和改性纖維素類。 這些膠體常用于粉劑型面膜制品中,經氣流粉碎機超細粉碎后,面膜可快速溶解于熱水中成型,膠體溶解均勻,不會有局部白點出現。
2.3 中草藥的超細粉碎
中草藥已廣泛應用于各類功效性化妝品中,如在美白祛斑類產品中使用的白茯苓、白果仁、白術等,在粉刺制品常用的連翹、苦參等。 在一些面膜類制品中,中草藥往往以粉劑的形式直接加入,但是普通粒度的中藥粉是難于被吸收的,需要細胞破壁后才能釋放其中的功效性成分。 中藥材的細胞直徑一般為 10~50 μm,一部分達到 70 μm,如果將中草藥粉碎到粒徑為 70 μm時,僅僅有部分細胞開始破壁,要想達到以提高藥效為目的的破壁,應該粉碎至粒徑約為 25 μm 才比較合適。 例如,花粉中營養豐富的主要成分在外壁以內未經破壁無法被人體獲取,一般粉碎機均無法破碎非常堅韌的花粉外壁,但是花粉的粉碎破壁在氣流粉碎機上就可以實現。
江蘇省江陰市鑫陸化工制藥設備有限公司的 WS 系列超細氣流粉碎機,粉碎中草藥的粒徑一般能達到 6.5~15 μm。 超細粉碎的藥粉粒度更加細微均勻,比表面積增大,孔隙率增大,有效成分能較好地分散、釋放。
3 結語
1)微粉化技術是一套完整的工藝和技術,是一個系統化過程,在化妝品的制造過程中需滿足化妝品衛生規范的要求。 在過去的幾年中,雖然我國已在超細粉碎領域取得很大進步,但是要將其應用到化妝品的產業化上,還應結合化妝品行業的特點,設計易于清洗和消毒、制造過程不污染產品、不產生粉塵、能耗低的超細粉碎設備。
2)加強超細粉碎的基礎理論研究,結合各種粉料性能,在實驗的基礎上進行模塊設計,建立數據模型,開發多功能、一體化的氣流研磨設備,提高綜合配套性能、自動控制能力和單機處理能力,能得到粒度分布窄的超細粉體,并且能適應不同特性及各種硬度物料的加工。
3) 尋求減少氣流研磨設備粉碎中磨損的有效途徑,延長設備使用壽命,減少產品污染。 重點解決氣流磨磨腔、噴嘴環的材質問題,開發高耐磨性的合金材料。 另外,合適的工藝流程也是減少氣流磨磨損的有效措施。
4)尋求降低能耗、提高能量利用率的有效途徑,克服氣流粉碎機能量利用率低這一最大缺點。
5)氣流研磨技術的發展將為開發高品質、高技術含量、功效優良的化妝品提供技術支撐,增強產品的市場競爭力。 氣流研磨技術不僅可以廣泛應用于壓粉類彩妝品和面膜制品中,而且在活性原料及中草藥的預處理方面也有廣闊的應用前景。
本文作者:曹緒章(廣州雅芳制造有限公司, 廣東 廣州 510900)
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