식품, 화학 및 제약 산업에서 원료, 첨가제, 중간체부터 완제품에 이르기까지 많은 재료는 제조 공정이나 최종 용도에 적합한 비교적 자유로운 유동성 분말 형태로 공급됩니다. 이러한 재료는 종종 장기간 보관되는데, 이 기간 동안 일부 분말은 입자 간 상호 작용으로 인해 강도가 증가합니다. 이를 일반적으로 '케이킹'이라고 하며, 분말이 공정 트레인을 중단 없이 통과하는 능력을 크게 제한하고 제품 품질에 악영향을 미칠 수 있습니다.

케이킹은 일반적으로 기계적, 화학적, 열적 등 하나 이상의 메커니즘을 통해 발생하며, 물의 이동과 흡수가 가장 큰 영향을 미칩니다. 환경 조건을 관리하여 재료를 최적의 상태로 유지하거나, 작동 매개변수를 조정(일반적으로 재료가 고정된 시간을 제한)하거나, 제품 배합을 수정하여 케이킹을 제한할 수 있습니다.

각 재료의 거동을 테스트하고 이해함으로써 공정의 여러 지점에서 케이킹의 위험을 평가하고 최소화하여 제품 품질을 극대화하고 유지할 수 있습니다. 예를 들어 분말 테스트 결과는 후속 가공에 적합한 상태를 유지하기 위해 재료를 얼마나 자주 텀블링하거나 교반해야 하는지, 백, 통, 벌크 용기 또는 탱커에 포장할 경우 품질을 유지할 수 있는지 여부를 결정할 수 있는 정보를 제공합니다.

그러나 메커니즘에 관계없이 케이킹 가능성을 최소화하는 정확한 조건을 결정하려면 결과적으로 발생하는 흐름 속성의 변화에 대한 포괄적인 이해가 필요합니다.

FT4 분말 레오미터는 벌크 재료 특성을 자동화되고 신뢰할 수 있으며 포괄적으로 측정할 수 있는 범용 분말 테스터입니다. 이 정보는 공정 경험과 상호 연관되어 공정 효율성을 개선하고 품질 관리를 지원할 수 있습니다. 동적 유동 특성 측정에 특화된 FT4는 전단 셀과 밀도, 압축성 및 투과성과 같은 벌크 특성을 측정할 수 있는 기능도 통합되어 있습니다.

습도 향상 케이킹

습도가 분말에 미치는 영향은 여러 요인의 상호 작용으로 인해 복잡합니다. 수분 흡착은 모세관 브리징을 생성하여 개별 입자 및 입자 그룹을 서로 분리하는 데 필요한 힘의 크기를 증가시킵니다. 시간이 지남에 따라 흡착된 수분은 주로 입자 표면에서 분자 이동성 증가를 통해 고체 브리징, 화학적 상호 작용 촉진, 소성 변형 증가를 초래할 수도 있습니다.

세 가지 식품 분말 샘플을 서로 다른 상대 습도(RH)에서 48시간 동안 보관한 다음 FT4를 사용하여 각 샘플이 정해진 흐름 패턴에서 블레이드를 통과하는 데 필요한 흐름 에너지 측면에서 조건에 어떻게 반응하는지를 테스트했습니다.

식품 A의 유동 에너지는 RH가 증가함에 따라 약간만 증가하여 이 샘플이 환경의 영향을 거의 받지 않았음을 나타냅니다. 반면, 식품 C는 76% RH에서 유동 에너지가 급격히 증가했는데, 이는 높은 습도에서 자당 결정이 부분적으로 용해되어 입자 사이에 강한 다리를 형성했기 때문일 가능성이 높습니다. 유동 에너지가 높을수록 동적 공정에서 분말의 이동이 더 어려워지며, 식품 C는 높은 습도에서 장기간 보관할 경우 더 문제가 될 가능성이 높습니다.

식품 B는 다른 경향을 보여 수분 흡수가 항상 해로운 것은 아님을 보여주었습니다. 주변 샘플에 비해 56% RH에서 유동 에너지의 감소가 관찰되었습니다. 흡착된 수분은 정전기력을 감소시킬 수 있으며, 경우에 따라 표면 수분이 윤활제 역할을 하여 입자 상호 작용의 강도를 감소시킬 수 있습니다. 샘플은 테스트 용기에 분말을 채우고 맞춤형 컨디셔닝 사이클을 사용하여 균일한 포장 구조를 생성함으로써 준비됩니다. 그런 다음 용기를 분할하여 고정된 샘플 부피를 확보한 다음 원하는 조건에서 보관합니다. 대부분의 분말은 입자 간 결합이 더 강하게 형성되어 흐름에 대한 저항이 증가합니다. 이러한 변화는 되돌릴 수 있는 경우도 있지만 대부분의 경우 분말의 표면이 변화하여 영구적인 결합이 생성됩니다.

비균질 케이킹(크러스팅)

높은 상대 습도에 대한 노출로 인한 케이킹이 항상 특정 파우더 전체에서 균일하게 발생하는 것은 아닙니다. 많은 경우, 케이킹은 주로 파우더 표면과 공기의 경계에서 발생하여 나머지 파우더 층에 비해 흐름에 훨씬 더 강한 강한 '크러스트'를 형성할 수 있습니다. 이 '크러스트'가 파우더 베드에 영향을 미치는 정도를 정량화하면 사용 가능한 상태로 남아있는 파우더의 양을 알 수 있습니다. 전단 셀, 침투계 및 단축 테스트와 같이 파우더 케이킹을 평가하는 데 사용되는 다른 방법으로는 이 현상을 정량화할 수 없습니다. FT4의 특허받은 테스트 프로토콜인 블레이드가 분말을 통과할 때 베드 높이에 대한 에너지 구배를 평가하면 지각의 강도와 깊이를 모두 정확하게 측정할 수 있습니다.

탈지 분유(SMP) 샘플을 53% 및 75% RH에서 최대 6일 동안 보관하고, 매일 하나의 샘플을 FT4로 테스트하여 베드 내 응고의 정도와 위치를 평가했습니다.

53% RH에서 보관한 샘플에서는 분말-공기 경계면에 단단한 지각이 형성되고 보관 시간이 길어질수록 구조적 무결성과 깊이가 증가하는 뚜렷한 경향이 관찰되었습니다. 그러나 층 깊숙이 들어가면 최소한의 응집이 관찰되었으며, 이는 상대적으로 다공성이 없는 크러스트가 형성되어 파우더 층의 하부에서 수분 이동이 최소화되었음을 시사합니다.

동일한 분말 샘플을 더 높은 습도(75% RH)에서 보관했을 때 다른 경향이 관찰되었습니다. 다시 한 번 분말-공기 경계면에서 고체 크러스트가 형성되었지만 이번에는 저장 시간에 따라 가장 응고도가 높은 영역이 아래로 내려가면서 수분이 샘플에 침투한 깊이를 나타내는 매우 높은 응고도의 '활성' 영역 위에 중간 정도의 응고 영역이 남았습니다. 53% RH에서 테스트했을 때와 마찬가지로 지각 수준 이하에서는 분말이 응고되지 않은 상태로 유지되어 지각이 습한 환경의 영향으로부터 분말을 보호하고 있었습니다.

온도 향상 베이킹

고온에서는 재료의 분자 이동성/점탄성이 향상되어 입자의 경도가 감소하고 재료가 더 큰 소성 변형을 겪게 됩니다. 이는 입자 간의 접촉 면적을 증가시켜 표면 화학적 상호 작용을 포함한 응집력 있는 상호작용의 수를 증가시켜 파우더 베드 내에서 고결을 촉진합니다. 고온 및 통합 하중 하에서 이러한 효과의 정도를 정량화하고 이를 다른 분말 특성(폴리머의 경우 유리 전이 온도, 입자 크기 또는 표면 형태 등)과 상호 연관시킬 수 있으면 분말과 보관 조건 간의 상호작용을 보다 심층적으로 이해할 수 있으며 온도 제어 보관의 사례를 만들거나 더운 기후에서 보관 및 처리되는 분말에 대한 정보를 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다.

세 가지 다른 폴리머 분말의 동일한 샘플을 40°C에서 48시간 동안 보관하고, 추가로 2kPa의 정상 하중을 가하거나 가하지 않고 작은 사일로/빈에 보관하는 시뮬레이션을 실시했습니다. 샘플은 FT4를 사용하여 온도 상승과 온도 및 적당한 응고의 조합이 고결 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 테스트되었습니다.

신선한 샘플과 저장된 샘플 사이의 유동 에너지 증가는 세 가지 재료가 모두 장기간 보관 및 온도 상승으로 인해 굳어짐에 민감하다는 것을 나타냅니다. 그러나 세 가지 샘플 모두 응고되지 않은 상태로 보관했을 때 유동 에너지가 비교적 비슷한 변화를 보였습니다. 반면, 폴리머 B와 C는 응고 상태에서 보관한 결과 유동 에너지가 크게 증가했는데, 이는 온도 상승과 응고 응력의 조합으로 인한 소성 변형이 더 심했기 때문인 것으로 보입니다. 반면, 폴리머 A는 유동 에너지의 증가 폭이 더 작았습니다.

이는 저장 조건이 결과적인 저장 거동에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 폴리머 B와 C는 고온에서 소량으로 보관할 경우 유동성에 큰 변화가 없을 수 있지만, 상당한 응집 하중을 받는 사일로 또는 백에 보관할 경우 폴리머 A와 비교할 때 유동성이 크게 달라집니다.

기타 케이킹의 예

분말을 함께 혼합하면 서로 다른 성분 간에 화학 반응이 일어나 안정적인 화학 결합이 형성되어 분말 덩어리가 응집될 수 있습니다. 이러한 유형의 케이킹 진행 상황을 시간의 함수로 차트화하면 엔지니어가 보관 시간과 수량을 최적화하여 처리 중 문제를 방지할 수 있습니다.

혼합 시 화학적으로 상호 작용하는 것으로 알려진 세 가지 성분의 분말 혼합물의 동일한 샘플을 사일로/빈에서의 저장을 시뮬레이션하기 위해 9kPa의 정상 부하를 추가로 적용하거나 적용하지 않고 주변 조건에서 최대 10일 동안 보관했습니다. 각 조건에서 매일 하나의 샘플을 FT4로 테스트하여 저장으로 인한 유량 에너지의 증가를 평가했습니다.

두 조건 모두에서 처음 4일 동안은 성분 간의 반응 속도가 느리기 때문에 흐름 에너지의 증가가 거의 또는 전혀 관찰되지 않습니다. 그러나 이 시점 이후에는 반응 속도가 빨라지고 혼합물이 굳기 시작합니다. 반응이 진행됨에 따라 입자 표면의 화학적 상호 작용이 증가함에 따라 유동 에너지가 빠르게 증가하고 혼합물이 굳어집니다.

초기 기간 동안, 응고된 상태의 분말은 응고되지 않은 샘플보다 약간 더 굳어져 있는데, 이는 입자 간 거리가 감소하고 결과적으로 반데르발스 상호 작용이 증가했기 때문일 수 있습니다. 화학 반응이 유동 에너지에 큰 영향을 미치기 시작하는 4일 후, 통합 테스트 그룹은 통합되지 않은 샘플에 비해 유동 에너지가 훨씬 더 급격히 증가하는데, 이는 입자가 더 밀착되어 고결 반응이 강화되었음을 나타내는 추가적인 지표입니다.

이 결과는 분말의 벌크 내에서 화학적 상호작용이 미치는 영향에 대한 면밀한 이해가 필요하다는 것을 보여줍니다.

결론

시간이 지남에 따라 습도, 온도 또는 스트레스에 노출된 일부 분말의 물리화학적 특성으로 인해 고결 구조가 형성될 수 있습니다. 이는 이러한 외부 요인 중 하나에 국한되지 않는 여러 가지 메커니즘을 통해 발생할 수 있으며, 유동 특성, 따라서 처리 동작 및 최종 제품 품질에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 대부분의 경우 이러한 외부 요인으로 인해 유동성이 저하되지만 항상 그런 것은 아니며, 특정 상황에서는 여러 요인의 조합으로 인해 분말이 신선한 분말보다 이동하기 쉬워질 수 있습니다. 이는 분말 유동성이 재료 고유의 특성이 아니라 분말을 처리하는 조건과 장비에 따라 달라질 수 있음을 보여줍니다. 성공적인 처리를 위해서는 분말과 공정이 잘 맞아야 하며, 동일한 분말이 한 공정에서는 잘 작동하지만 다른 공정에서는 제대로 작동하지 않는 경우가 드물지 않습니다.

메커니즘에 관계없이 FT4는 흐름 특성과 관련하여 파우더의 케이킹 성향을 효과적으로 정량화할 수 있는 강력한 도구이며, 이를 통해 파우더 제형과 가공 환경을 이해하고 궁극적으로 케이킹을 제한하고 최적의 가공성을 유지하도록 조정하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

참조

[1] Freeman R., 응고, 컨디셔닝 및 폭기 분말의 유동 특성 측정 - 분말 레오미터와 회전 전단 셀을 사용한 비교 연구. Powder Technology, 25-33, 174, 1-2, 2007
[2] Katrina Brockbank, Brian Armstrong, Jamie Clayton, 주변 수분과의 비균질한 상호 작용을 중심으로 부형제 및 식품의 케이킹 측정 및 정량화 - 주변 수분과의 비균질한 상호 작용에 중점을 두고. 파티클학, 2020 - https://doi.org/10.1016/j.partic.2020.10.012