超細(xì)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(dāng)物料被粉碎至粒徑小于 10 μm后,超細(xì)顆粒具有高表面活性?空隙率和表面能,從而賦予物料優(yōu)良的溶解性?吸附性?流動(dòng)性及獨(dú)特的光?電? 磁等性能? 超細(xì)粉碎技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品?醫(yī)藥?信息材料?微電子?保溫材料?高級(jí)耐火材料?高技術(shù)陶瓷?涂料?填料和新材料產(chǎn)業(yè)?
氣流粉碎機(jī)作為對(duì)粉體實(shí)現(xiàn)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(dá)到超細(xì)粉碎的目的，因此氣流粉碎設(shè)備操作簡(jiǎn)單，無(wú)污染，產(chǎn)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(xì)粉碎。 國(guó)際上 25%的氣流粉碎機(jī)被用于制備超細(xì)藥物，但是氣流粉碎技術(shù)應(yīng)用于化妝品中活性物的微粉化或產(chǎn)品制作的報(bào)道很少。
隨著近 20 年我國(guó)化妝品工業(yè)的高速發(fā)展，大量生物活性物和中草藥粉被廣泛應(yīng)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(yīng)用難以被皮膚吸收的問(wèn)題。 通過(guò)對(duì)活性物原料進(jìn)行超細(xì)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(shù)應(yīng)用于高檔壓粉類彩妝品制造，改善粉體結(jié)構(gòu)，對(duì)壓粉性能和產(chǎn)品質(zhì)量都有很大提高。 氣流粉碎技術(shù)在化妝品行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。
本文中對(duì)一種扁平式圓盤氣流磨的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行論述，結(jié)合在壓粉類化妝品及一些功能性化妝品中的實(shí)用例子，提出氣流粉碎技術(shù)在該領(lǐng)域的改進(jìn)發(fā)展方向。
1 圓盤式氣流磨的結(jié)構(gòu)及工作原理
料斗內(nèi)的物料經(jīng)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(dòng)加速至 300~500 m/s， 經(jīng)文丘里噴嘴沿切線方向噴入磨腔，氣流在噴嘴出口產(chǎn)生絕熱膨脹，使物料溫度降低， 進(jìn)入磨腔的顆粒在氣流作用下形成渦流運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，C 處氣流(壓力、速度與 B 處的相同)被送入磨腔外側(cè)， 經(jīng)氣孔環(huán)上的小孔沿一定的角度噴入磨腔，對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生 2 個(gè)方向的作用力：一個(gè)是沿壁方向加速顆粒的運(yùn)動(dòng)， 為顆粒之間的碰撞進(jìn)一步提供動(dòng)能； 另一個(gè)是沿圓心方向?qū)︻w粒作用產(chǎn)生向心力，迫使顆粒向圓心運(yùn)動(dòng)。 在這 2 種力的作用下，顆粒的運(yùn)行軌跡呈螺旋渦流式運(yùn)動(dòng)。 在此過(guò)程中發(fā)生顆粒之間的相互碰撞，導(dǎo)致顆粒變小。 隨著小顆粒質(zhì)量減小，離心力減??；當(dāng)顆粒受到的向心力大于離心力時(shí)，顆粒向中心運(yùn)動(dòng)，而大顆粒因離心力大而又返回壁方向一側(cè)進(jìn)一步加速、碰撞。 進(jìn)到中心的微細(xì)顆粒氣流受到中心分級(jí)器的阻力作用，氣流改變運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)入下面錐形套筒；旋風(fēng)分離作用使得顆粒與筒壁碰撞失去動(dòng)能，落入下面的細(xì)粉收集桶內(nèi)，而更小的顆粒則隨著氣流經(jīng)上部分級(jí)器進(jìn)入收集器中。
C 處氣流經(jīng)噴嘴環(huán)噴入磨腔的角度及磨腔半徑對(duì)顆粒的細(xì)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(huán)，以獲得最佳研磨角。瑞士 APTM公司開(kāi)發(fā)了研磨角為 18~45°的系列噴嘴環(huán)，噴嘴環(huán)與磨腔直徑的理想配合與研磨料的特性相關(guān)，需要在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算設(shè)計(jì)出相應(yīng)的氣流粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)。
2 氣流粉碎機(jī)在化妝品中的應(yīng)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(yīng)用于化妝品中的粉底、眼影及粉餅類產(chǎn)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(dá)到粉體穩(wěn)定分散的目的， 并同時(shí)表現(xiàn)出良好的基色表現(xiàn)力和細(xì)膩潤(rùn)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(xì)度。
目前，化妝品行業(yè)中應(yīng)用的粉體研磨設(shè)備主要以三輥研磨機(jī)、膠體磨、球磨機(jī)等，但是這些濕法研磨設(shè)備存在產(chǎn)品粒度分布寬， 需要加入甘油或油類物質(zhì)濕潤(rùn)色料，導(dǎo)致研磨過(guò)程易滋生微生物，設(shè)備有死角，不易清洗、消毒等問(wèn)題。 氣流磨機(jī)與物料接觸部分采用鏡面設(shè)計(jì)，易于清洗、消毒，全密封體系對(duì)物料無(wú)染，產(chǎn)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(chǎn)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(jī)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(jìn)一步軋碎，然后轉(zhuǎn)入氣流磨的料斗，用螺桿送至噴嘴，被壓縮空氣加速進(jìn)入磨腔，研磨的細(xì)粉收集于下部桶內(nèi)，超細(xì)粉通過(guò)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(guò)壓力報(bào)警裝置控制， 當(dāng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)。 供料過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致磨腔及噴嘴的堵塞；供料過(guò)慢，則導(dǎo)致顆粒之間的碰撞頻率減小，不能有效研磨。 通過(guò)控制螺桿的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的供料速度。 不同尺寸的氣流粉碎機(jī)要求的送料速度不同，如表 1 所示。
在眼影粉的制造過(guò)程中，粉料及著色劑的超細(xì)粉碎可通過(guò)氣流粉碎機(jī)或錘式粉碎機(jī)實(shí)現(xiàn)。 經(jīng)過(guò) 2 種方式粉碎的粉料采用 MicrotracS3500 粒度測(cè)定儀測(cè)定粒徑分布，結(jié)果如圖 4 所示。 由圖可知，經(jīng)過(guò)氣流粉碎機(jī)研磨的粉料粒度更小，分布更窄。
氣流粉碎機(jī)與錘式磨粉機(jī)的壓粉性能對(duì)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(yōu)異的壓粉性能。 氣流粉碎機(jī)制備的粉料所用壓力小，起粉性能更加優(yōu)異。 眼影粉在附著性、柔滑性及絨膜性等使用感方面表現(xiàn)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(hù)膚品中具有抗菌作有的尿囊素、穿心蓮內(nèi)酯，需要在 80 ℃時(shí)溶解 2 h，如果經(jīng)過(guò)超細(xì)粉碎，在80 ℃時(shí)只需幾分鐘便可溶解， 極大地保持了抗菌活性。維生素 C（簡(jiǎn)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(guò)程中，即使在避光的情況下產(chǎn)品也極易變黃，VC 被氧化而失去活性。 如果在制作過(guò)程中不先將 VC 溶于基質(zhì)中， 而是在消費(fèi)者使用時(shí)通過(guò)泵壓裝置將 VC 與基質(zhì)混合， 將 VC 溶于基質(zhì)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(shí)現(xiàn)快速溶解。 如果經(jīng)過(guò)超細(xì)粉碎，使粒徑減小至小于 10 μm，VC 便能快速溶解于基質(zhì)溶液中， 利用此類技術(shù)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(yǎng)、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(guò)乳酸處理的珍珠雖然可水溶， 但是氨基酸會(huì)部分酸解。通過(guò)超細(xì)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(xì)粉碎外，氣流粉碎機(jī)還可用于膠體的超細(xì)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(zhì)，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(jīng)氣流粉碎機(jī)超細(xì)粉碎后，面膜可快速溶解于熱水中成型，膠體溶解均勻，不會(huì)有局部白點(diǎn)出現(xiàn)。
2.3 中草藥的超細(xì)粉碎
中草藥已廣泛應(yīng)用于各類功效性化妝品中，如在美白祛斑類產(chǎn)品中使用的白茯苓、白果仁、白術(shù)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(xì)胞破壁后才能釋放其中的功效性成分。 中藥材的細(xì)胞直徑一般為 10~50 μm，一部分達(dá)到 70 μm，如果將中草藥粉碎到粒徑為 70 μm時(shí)，僅僅有部分細(xì)胞開(kāi)始破壁，要想達(dá)到以提高藥效為目的的破壁，應(yīng)該粉碎至粒徑約為 25 μm 才比較合適。 例如，花粉中營(yíng)養(yǎng)豐富的主要成分在外壁以內(nèi)未經(jīng)破壁無(wú)法被人體獲取，一般粉碎機(jī)均無(wú)法破碎非常堅(jiān)韌的花粉外壁，但是花粉的粉碎破壁在氣流粉碎機(jī)上就可以實(shí)現(xiàn)。
江蘇省江陰市鑫陸化工制藥設(shè)備有限公司的 WS 系列超細(xì)氣流粉碎機(jī)，粉碎中草藥的粒徑一般能達(dá)到 6.5~15 μm。 超細(xì)粉碎的藥粉粒度更加細(xì)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(jié)語(yǔ)
1）微粉化技術(shù)是一套完整的工藝和技術(shù)，是一個(gè)系統(tǒng)化過(guò)程，在化妝品的制造過(guò)程中需滿足化妝品衛(wèi)生規(guī)范的要求。 在過(guò)去的幾年中，雖然我國(guó)已在超細(xì)粉碎領(lǐng)域取得很大進(jìn)步，但是要將其應(yīng)用到化妝品的產(chǎn)業(yè)化上，還應(yīng)結(jié)合化妝品行業(yè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)易于清洗和消毒、制造過(guò)程不污染產(chǎn)品、不產(chǎn)生粉塵、能耗低的超細(xì)粉碎設(shè)備。
2）加強(qiáng)超細(xì)粉碎的基礎(chǔ)理論研究，結(jié)合各種粉料性能，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，建立數(shù)據(jù)模型，開(kāi)發(fā)多功能、一體化的氣流研磨設(shè)備，提高綜合配套性能、自動(dòng)控制能力和單機(jī)處理能力，能得到粒度分布窄的超細(xì)粉體，并且能適應(yīng)不同特性及各種硬度物料的加工。
3） 尋求減少氣流研磨設(shè)備粉碎中磨損的有效途徑，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少產(chǎn)品污染。 重點(diǎn)解決氣流磨磨腔、噴嘴環(huán)的材質(zhì)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)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(jī)能量利用率低這一最大缺點(diǎn)。
5）氣流研磨技術(shù)的發(fā)展將為開(kāi)發(fā)高品質(zhì)、高技術(shù)含量、功效優(yōu)良的化妝品提供技術(shù)支撐，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 氣流研磨技術(shù)不僅可以廣泛應(yīng)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(yù)處理方面也有廣闊的應(yīng)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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