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氣霧劑產品的拋射劑的選擇

來源:本站 | 2021-08-02

氣霧劑拋射劑的作用有幾個方面,其中最基本的作用是對產品提供壓力,在促動閥門時使料液能夠噴射出來,同時,拋射劑也起到了稀釋劑、溶劑、發泡劑,黏度調節劑或渾濁劑的作用,在某些特殊場合,它也能用于冷凍劑、吹塵劑,報警劑(例如用于船笛時)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,實際上不屑于拋射劑,但因其極易揮發,為安全起見,有時還是把它們當作拋射劑.
如果拋射劑可以溶解于料液(或稱基質)中.則它易使料液在噴出時被擊碎,產生噴霧.拋射劑與料液間的相互作用將決定能否產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生噴霧時,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能而產
生渦流或噴霧。
要產生噴霧,拋射劑必須產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的.例如鹽水噴霧劑,雖然亢有o.69MPa的氮氣,卻只能產生一股有力的液流,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%.使用普通閥門時,以溶劑油為料液可以產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個時,噴霧變得非常粗糙,霧型有一個稠密的核心;而料液為N.P.礦物油時,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,使用常規帶錐形或是直管噴孔的噴頭,都不會產生噴霧,而用帶反錐形噴孔的噴頭,則僅產生帶有輕微表面波動的射流,或者流有一點點噴出物。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生,因而能夠點燃井引發著整條射流。
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連,高壓的拋射劑更易于產生細小的噴霧顆粒,一個簡單的例子可以說明這點.90%的乙醇與10%的102丙烷(A—i08)體系,可以產生噴霧;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,則幾乎沒有多大壓力,且只能產生一股細小的液流。
拋射劑的分散性能可以恒溫于2l℃為標準,并以如下簡單試驗進行測量:用符合“DOT-2Q標準”57mm直徑的罐,充以70%體積的乙醇,對加有乙醇和閥門的罐稱重,然后拿到封蓋機邊,用過量的氣化拋射劑沖掉罐內空中的空氣,井立即加上閥門并封蓋,如此增加的質量便是拋射劑的質量.
再補充人拋射劑使拋射劑占總體質量的5%,在水浴中搖動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,壓力隨拋射劑的濃度成線性增加,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,配方工作者通常應考慮使用盡可能少的拋射劑,同時也使配方中盡可能多地含有有效成分.但有時,此項通則可能會行不通,因為稍多一點的低壓拋射劑有時有利于產生一種比較流暢的、不過分猛烈的噴霧.能允許使用大一點口徑的閥門,并有更多的儲備以補償旁孔或使用時倒置所帶來的損失,還可降低整個料液的黏度,減少發泡傾向等。工業生產參照的“準則·,可以通過對比同類產品而得到,如分析測試,咨詢供應商或技術服務公司或者查詢有關文獻等,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品,如果將拋射劑乳化分散于水相產品中,促動“噴嘴式”閥門時,拋射劑便特產品“充氣”變成泡沫。通常泡沫的密度在o.10g/mi左右,當密度過高時,產品顯得過濕,易流動,濃重而缺乏美感.這種情形會隨產品的使用而日趨嚴重,當拋射劑過多時,則會產生“干性”泡沫——太輕浮而無質感,并且會由于過量的拋射劑逃逸而在泡沫表面形成·麻點”。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.此類產品也包括一些如水—乙醇體系的“快爆”型泡沫產品和一些相對少見的非水基產品。后一類產品由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,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過程。目前有許多種類的充氣機,但都有一些局限性。在美國,多數氣霧劑是通過u—t-C(蓋下充氣)裝置生產出來的,拋射劑通過輕微抬起的封口杯底充入罐中,如此便不受閥門流量不同帶來的限制,主要缺點是機械設計過于復雜,氣體流失過多,當充氣量很少(in旅行用剃須泡沫)時難以準確定量.從機器的數量上講,丁—,v(通過閥門)充氣機最多,充填速度由每分鐘20罐至超過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.而且很多時候噴頭要在充氣后再安上。此種類型的機9e較適于小規模生產,每分鐘的生產速度小于50罐.充壓縮氣時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產品的充填技術,如振播充氣、瞬時沖擊充氣、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此類產品,或者能選擇好合適代灌裝廠。
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.過去也用過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也曾用于數百萬罐的食品氣霧劑中,如今也不再用了。如果一家公司要生產、出口食品氣霧劑,就應該考慮不同國家地區的有關法規.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,盡管在過去40年里,美國已消耗掉了近20億罐含此類拋射劑的摜奶油產品。
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利——一篇關于將DME用于炊具潤滑噴霧劑的配方專利,雖然此專利可能永遠不能得到應用。HFC 134a(1,l,l,2—四氟乙烷)幾乎毫無疑問地可以通過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(質量分數)不得大于18%,盡管有企業爭辯只有超過18%的用量才能使產品有好的性能而得以生存.但CARB和DEC的當權者依舊無動于衷.
產品和包裝的種類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有過有副作用的報告,但其已被禁止用于此兩類用品之中;而且,美國環境保護署已將此溶劑作為一種經濟性毒藥成分而禁止使用,CPSC則要求企業應自動削減產量.所有這些,都是將那些證實二氯甲烷對人類無誘變性、無致癌性的可靠的臨床數據置之度外,目前,許多臨床或是環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。
如果一種產品落人EPS的管轄范圍,市場商就必須意識到,在配方工作者及其他工程師拿出一個完整的產品之后,還必須花兩年到三年的時間進行注冊,這使某些商業計劃(尤其是與進口產品對比)變得愚昧可笑,同時也阻礙了殺蟲劑、除草劑及類似產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,昆蟲驅避劑用于皮膚,屬于EPA管轄:而抗襲劑,當針對動物(如處于攻擊狀態的熊、瘋狂的臭鼬、兇惡的狗等)時,屬于EPA管,而針對人時,則不屬于其管。還有一例,對于一種用于防螞蟻等昆蟲的聚丁烯—20型的·樹帶”產品,EPA對此是否應該注冊的問題已有幾次反復。
那些屬于EPA和CPSC管轄的產品,在上市前必須先進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,有時還需做皮膚過敏性試驗.無論何種情況,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。一些大的市場商如此做,是因為相信這樣更可靠,此錢值得一花.FDA對大多數化妝盥洗用品及食品不要求這些試驗,但要求市場商保證產品無潛在的危險性,否則應標志說明。
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《噴霧技術與市場》雜志有關文章有過描述.
產品料液的配方也會影響到拋射劑的選擇,含有大量油或有機溶劑的乳液將會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%無臭煤油和4%水及一點乳化劑組成的相當黏稠的乳液,這使得拋射劑得花費很長時間才能擴散到整個乳液內部。結果,當充入15%的異丁烷作拋射劑時,在開始2天使用的效果還可以,但隨著時間推移,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,在54.5℃下,罐內的壓力又超過了罐能忍受的平衡壓力,所以進行熱水浴檢查只能在38'C',否則在此過程中必然有許多罐爆炸。
對噴發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,要保持常溫狀態下不分層和不出現濁點,只好使用30%~“%的二甲醚(DME)。有些廠商出于經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,以保證均相及濁點在o℃以下,通常烴的用量超過14%便可能出現問題。
有一些料液(乳液或膠等)表現出一個固定的流動點,在常溫、常壓下僅僅依靠重力不能夠自由流動,在這種情況下.只好采用特殊的灌裝設備.有時,僅用l%左右的少量拋射劑能夠使這種料液漂動起來,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產品難以投產,但市面上也出現了此類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),此種產品必須保證經過數月的儲存,2—49℃料液不會分層或成分分布不均。因為此種產品很難用搖晃的方法使其重變為均相,此外,無論是采用蓋下充氣(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通過內囊或是活塞與罐壁間的縫隙滲入料液當中,否則,清沏透明的后發泡膠將會變得有些渾濁和部分預發泡,鋰脂擠出來時會松松散散等.內囊與料液的相容性最好采用在49'C熱儲存的方式來檢驗,這種老化試驗將會顯示出是否會有夾層脫落或是內囊泄漏、破裂等.
有時,包含于內囊或是活塞上部的料液會在壓力下發生性狀改變。例如.花生醬在此包裝中,花生油會漂移到頂部,而固態的渣子則沉積在底部,結成堅硬的一層而不能噴出,將生渣磨得更細或是外相選用壓力低一些的拋射劑,都會使問題改善甚至解決。
制造泡沫型產品時,最好使用水不溶的拋射劑以增加泡沫的穩定性,有時也加入一些非常細的硅膠或其他固體顆粒.有些廠家用減小硅酸鈉溶液pH值的方法,使硅酸沉淀出來而形成·微末”硅.有許多用于兒童洗澡時玩耍的氣霧劑泡沫,商品名稱有“LooneyTunes”、“Barbie'’、“Bathtime'’等,幾乎所有這些產品都是彩色的: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拋射劑時,泡沫會相對不穩定,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為發泡劑亦曾發生過這種情況,釋放1~2 mln后淡棕色的表層變暗,最終幾乎變成黑色,加少量水不溶性拋射劑后便解決了這個問題.
閥門的不同也會影響拋射劑的選擇.大多數產品都保持一個比較固定的噴射(發泡)速率,否則會發生噴射過量或泡沫過大的現象.同時,產品的可燃性也會隨噴射速串的增加而增大。所以,當某些產品需要采用大孔徑閥門以防止堵塞或結膜時,就需要采用低壓的拋射劑以防止噴射過量,有時采用混合丁烷來達到此效果.
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低壓拋射劑.不推薦用混合丁烷的原因之一是在產品使用過程中,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系統的粉末從而造成閥門堵塞。

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