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化妆品加工的关键挑战

来源:国际个人护理品生产商情 发布时间:2022-11-08 778
食品饮料及个护个人护理品原料配料加工生产设备包装设备及材料其他 特别报道
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本文将重点介绍这些基于复杂流体/软物质的消费品在制造过程中可能遇到的一些关键加工挑战。

化妆品行业每年都会推出数以千计的新产品,在较短的时间框架里几乎没有出错的余地。任何急于开发、配制、制造和发布产品的行为都有可能会导致错误和不良品的出现,从而延迟发布或失去市场先机。


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配方和加工是影响产品功能和感官性能的两个关键因素。配方成分、潜在的微观结构、成分之间的相互作用,以及这些对物理化学性质(如流变学、摩擦学和表面活性)的影响,都会对产品的最终性能和消费者对产品的接受度产生关键影响。这些因素会影响加工和制造的难易程度。加工过程中的高应力也会影响底层的微观结构。对于化妆品和消费品,必须更好地理解和优化结构-性能-加工-性能之间的这种联系。本文将重点介绍这些基于复杂流体/软物质的消费品在制造过程中可能遇到的一些关键加工挑战。

混合挑战

混合是配方过程中的关键步骤,将各种必须混合在一起的原料进行配方,并不像看起来那么容易。非牛顿行为、粘弹性、屈服应力和触变性等问题都可能成为配方过程中的重要障碍。非牛顿流体是一种粘度取决于施加在系统上的应力大小的流体。一旦流体被归类为非牛顿流体,它就可以被归类为剪切稀化流体或剪切增稠流体。大多数化妆品是剪切稀释液,这意味着它们的粘度随着剪切速率的增加而降低。

以皮肤保湿剂为例,消费者直接从面霜瓶中取出的保湿霜通常很厚,但通过增加压力轻揉涂抹到皮肤上时,保湿霜的粘度开始降低,以便完全吸收到皮肤中。非牛顿流体非常复杂,使用流变技术研究它们可以优化产品稳定性。在配制非牛顿流体时,设计流变特性(例如粘度和屈服应力)以提高产品稳定性非常重要。由于粘度的变化,混合非牛顿流体可能非常困难。流体越粘稠,就越难完全融入产品中。这会在混合罐中留下未混合的产品部分,导致产品不符合理想标准。最简单的解决方法是重新评估混合罐中使用的混合叶轮。在大多数情况下,可以使用更大的叶轮来混合更粘稠的材料,甚至可以使用更高功率的多个更小的叶轮。

触变性是指某些产品在受到恒定剪切力时粘度随时间变化的特性。例如,在混合阶段,由于触变流体在一段时间内受到恒定的力(恒定混合),它会降低粘度,使混合阶段变得棘手。触变流体的一个例子是指甲油。指甲油的粘度随着瓶子摇晃而减少,从而可以轻松涂抹在指甲上,然后在将其涂抹在指甲上后便会恢复结构/粘度。


触变流体的粘度最终会在一段时间后恢复正常。触变流体会导致混合问题,因为它们会损坏用于移动流体的叶轮。叶轮需要在一段时间内以恒定的速度运动,以达到流体从高粘度变为低粘度的阶段。到了这个阶段之后,流体需要以一定的功率不断地混合,以保持尽可能低的粘度,所以它被充分掺入。如果用于混合流体的机械使用的动力太小,流体将太粘,最终会损坏叶轮。了解流体在受力时的作用非常重要,因为它最终可能会导致更大的问题。因此,基于对流体触变性特点的理解来优化叶轮的运行条件至关重要。

粘弹性流体是一种由粘性成分和弹性成分组成的非牛顿流体。完全弹性材料具有非常类似于固体的特点,而完全粘性材料具有更像液体的特点。粘弹性材料是两者的混合物,表现出固体和液体。大多数化妆品和消费品是粘弹性流体。在混合方面,具有高弹性的流体可能会导致严重问题。如果使用不能承受高弹性特性的叶轮或叶片,它们可能会在尝试混合材料时折断和断裂。如前所述,高粘度材料在混合时也会引起问题。最后,屈服应力是混合材料时可能导致问题的另一个问题。


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屈服应力流体的混合设置


许多化妆品,如护发素或护肤霜都具有屈服应力,即为了使产品开始流动,需要超过临界应力。当混合屈服应力流体时,靠近叶轮的已超过屈服应力的某些区域将屈服、流动完全结合。远离叶轮的流体区域则不会混合,因此在混合罐中围绕正在混合的一小部分流体会形成流体滞留层。屈服应力流体混合不均匀的问题可以通过使用更大的叶轮或使用垂直方向排列的多个叶轮来克服。

流动不稳定性

流动不稳定性是化妆品行业的另一个众所周知的问题,它可能发生在化妆品和消费品的管道流动过程中或混合过程中。有许多不同类型的流动不稳定性,包括壁滑移、剪切带和弹性湍流。

壁滑是聚合物、凝胶或微凝胶、胶体凝胶、糊剂和泡沫的常见特性。壁滑会导致工艺设计、管道流量和流变测量出现问题。壁滑始于管内壁和散装材料之间的连接点。一旦材料开始流动,就会出现三个现实:弱滑、强滑或无滑。当覆盖管道表面的聚合物薄膜完全与主体分离时,会发生强烈的滑动,从而导致速度分布发生变化。


速度分布变化的严重程度取决于管道表面上聚合物层的厚度。与此相反的是在管道表面没有任何东西的情况下没有滑动。最后,当散装材料流过管道时,当一些连通性仍然存在时,会发生弱滑动。这是由聚合物和管壁之间的化学性质决定的,包括温度、压力、分子量、分子结构、界面条件、对表面涂层的依赖性以及不混溶混合物的流动等因素。管壁上的表面涂层可以很容易地避免发生这种管壁滑动,并且是比更换聚合物更直接的解决方案。壁滑移可以通过魏森伯格数进行定量评估,魏森伯格数是弛豫时间和剪切速率的乘积。较高的魏森伯格数得出更大的界面解缠结,这意味着聚合物壁界面比缠结的块状材料弱,从而导致分离。

壁面滑移、流动特性和屈服应力都是相互交织的:低于屈服应力的流动是由于滑移而发生的,在屈服应力和1.5倍之间的屈服应力值之间有由于滑移和变形而发生的流动。最后,在较高的屈服应力值下,滑移减少,剪切应力增加。工艺工程师必须将这些视为竞争效应,并为单个产品确定最佳的后续步骤。


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管道中的剪切带


另一种在洗发水等化妆品中出现的流动不稳定性是剪切带。在这里,由于产品的微观结构异质性,流体分成两个不同的流动带。然后这两个不同的流动层具有两种不同的流速。这种剪切带行为可以通过在流变仪上绘制显示粘度与剪切速率或剪切应力与剪切速率的流动曲线来检测。在该流动曲线上,如果系统中存在剪切带,则会形成一个平台区域。这不是一个万无一失的测试,但绝对是剪切带的强烈指示。

乳液加工

大多数化妆品是水包油乳液或油包水乳液。在配制乳液时,可能会出现许多问题,乳液稳定性在这里是最重要的,几周或几个月后会在货架上发生相分离的产品是完全不可取的。高稳定性乳液产生更长的保质期和整体性能更好的产品,确保乳液本身具有高稳定性是一项挑战,加工条件和乳化剂的选择起着至关重要的作用。

在乳液加工过程中,必须选择适当的加工技术,以便获得具有良好长期稳定性的所需产品。高能或低能工艺技术的决定应该对液滴尺寸、液滴破碎、体积比、表面活性剂吸收和吸收速率敏感。在乳液加工过程中,液滴的形成可以通过低能或高能加工技术完成。


低能量处理条件使单个液滴产生更平滑的一致性,但输出也较低。更高能量的加工技术需要高剪切应力、高压昂贵的工艺。高能机械过程和温度升高的结合会影响乳化的变化,因此,配方设计师和工艺工程师必须选择乳化性能。如果确定高能处理对所选乳液系统最有效,则应仔细监控该过程,因为高剪切会破坏某些乳化剂类别,例如高分子量聚合物。

在乳液加工过程中,配方设计师应了解温度和剪切对所需乳化剂或稳定剂的影响。两者都会降低聚合物链的大小或蛋白质,这可能会破坏乳液的稳定性。如果流动条件由于高剪切应力而被归类为湍流,则会形成多分散乳液。如果流动条件被归类为空化,则压力会加速下降,会导致蒸汽泡和多分散乳液。由于空化力具有突然的温度和压力条件,因此会发生液滴破裂。如果流动模式被归类为层流,则乳液将具有低多分散性,因为它以定义的模式流动。这种层流条件出现在能量较低的均质装置中,液体被注入到膜孔或微通道中,导致液滴形成和分离。

粉末加工挑战

粉末在化妆品中必不可少,例如眼影、腮红和粉底。粉末在制药、食品和饮料、农业、石化和特种化学品中也很重要。粉末需要正确处理,否则会出现处理问题。其中一些困难可能包括在粉末转移过程中的鼠洞、不稳定的流动、死区、通道和溢流。在块状流动过程中可能会出现死区,粉末在料仓中被压实成固体,而不是流过开口。在其他情况下,死区可能出现在料仓的周边,而只有中心的粉末会落下,从而导致混合不良。这最终会破坏化妆品的完整性。


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指甲油表现出的触变性会导致混合过程中出现加工问题。


可能出现的每种粉末加工问题都受到所需粉末的物理特性的影响,无论是粒度、形状和相互作用。如果粉末的物理特性没有导致加工中断,那么可能是由于设备的选择或粉末的应力状态。在试图了解所选粉末的物理性质时,可以采用Hausner比率来确定其流动性。Hausner比率是一种用于了解粉末初始状态和最终状态快速简单的测试方法,但不同操作员的操作也可能导致结果存在错误或差异。建议使用介于1和1.34之间的 Hausner 比率,越低越好。另一种测量粉末流动阻力的方法是使用粉末流变仪来读取其旋转阻力和垂直阻力。这被收集为扭矩和力,当它们组合时,代表总流动能量。总流动能量是指将刀片从粉末柱顶部移动到底部所需的能量。粉末流动特性不仅影响粉末加工,而且还会影响最终性能,例如释放和结块强度。

结论

化妆品行业面临的加工挑战包括粉末问题、流动不稳定性、乳液加工和混合挑战。粉末加工的问题包括鼠洞、窜流、溢流、流动不稳定和死区,每一种都受颗粒大小、形状和相互作用的影响;显著的流动不稳定性是壁滑移、剪切带和弹性湍流带来的;突出的混合挑战问题是非牛顿行为、粘弹性、屈服应力和触变性;乳液加工带来的困难是不稳定和选择高能或低能加工技术。所有这些都对化妆品生产加工提出了独特的挑战,要求配方设计师或工程师精通适当的加工,否则,就会导致人身伤害、设备损坏或最终产品故障。


关于作者

Meghan Hartson 是曼哈顿学院化学工程专业大四学生,主修化妆品工程,辅修化学。2021年在曼哈顿学院的化妆品研究实验室研究智能材料并学习如何使用它们配制发胶。同期,在Döehler旗下的食品和饮料制造厂Teawolf实习,最近在Ecolab公司Nalco Water实习,担任技术销售代表实习生。

Ciara Coyle是曼哈顿学院的一名学生,正在攻读化学工程学士学位,主修化妆品,也是曼哈顿学院化妆品实验室的在读研究生,是化妆品工程和化学家协会的创始人。最近在雅诗兰黛公司担任Aveda的护发研发实习生,毕业后将全职返回。

Samiul Amin是曼哈顿学院化学工程副教授,在2018年加入学术界之前,Amin在工业界工作了20年,在亚洲、欧洲和美国的埃克森美孚、联合利华、欧莱雅和马尔文仪器等全球跨国公司从事工程、研发和创新管理工作。他的专业领域是配方设计、应用自动化进行智能配方设计、可持续化妆品配方和高级配方制作。


作者:Meghan Hartson, Ciara Coyle and Samiul Amin
译自:happi
           Processing Challenges in the Cosmetics Industry


来源:荣格-《国际个人护理品生产商情》

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