Основной задачей аэрозольной упаковки является выдача находящегося в ней под давлением вещества в таком виде, который обеспечивал бы наиболее эффективное воздействие продукта и максимальное удобство.

При помощи аэрозольной упаковки можно распылять жидкие вещества, получать пену из жидких веществ и выдавать наружу пастообразные вещества в виде вязкой струи разнообразной конфигурации.

Распыление жидких веществ, применяющихся в быту, сельском хозяйстве, медицине промышленности и т. д., является наиболее распространенной функцией аэрозольной упаковки. Распыленные жидкости, главным образом, используются для нанесения на поверхность и для образования облака из мелких капель в воздухе.

Аэрозоли в быту – это пятновыводители, средства для чистки и полировки, жидкости для подкрахмаливания и целый ряд других веществ, среди которых жидкости для уничтожения летающих насекомых, удаления неприятного запаха в воздухе, различные дезинфекционные средства и т. д.

Жидкости, предназначенные для распыления при помощи аэрозольной упаковки, находятся в ней под давлением, которое создает пропеллент. В качестве пропеллентов для распыления жидкостей используют в основном сжиженные газы: фторхлорзамещенные углеводороды (фреоны), парафиновые углеводороды (пропан, бутан, изобутан и др.), хлорзамещенные углеводороды (винилхлорид, метилхлорид) и сжатые газы: азот, закись азота, двуокись углерода, последние в основном используют для пищевых продуктов.

Если пропеллентом служит сжиженный газ, то в зависимости от свойств жидкого продукта и пропеллента различают два случая: 1) продукт и пропеллент совмещаются и 2) продукт и пропеллент не совмещаются.

Первый случай относится чаще всего к растворам на основе органических растворителей, совмещающихся с фреонами (реже на основе воды). При совмещении жидкого пропеллента с жидким продуктом в аэрозольной упаковке возникают две фазы (см. рис.): «А» – газовая (смесь насыщенных паров пропеллента и других летучих жидкостей, включенных в рецептуру), которая занимает свободное пространство в упаковке, и «Б» – жидкая (смесь продукта и жидкого пропеллента). Под давлением газовой фазы «А» жидкая фаза «Б» поднимается по сифонной трубке и через клапанное устройство попадает наружу, где пропеллент, бурно испаряясь, дробит жидкость на мельчайшие частицы «Р». Так как продукт с пропеллентом совмещаются, при хранении расслоения жидкости не происходит.

В случае распыления эмульсий, где активное вещество является дисперсной фазой, пропеллент должен совмещаться со смесью жидких компонентов состава, образующих дисперсионную среду. При хранении аэрозольных упаковок эмульсии расслаиваются, как показано на рисунке слева, причем образуются одна газовая фаза «А» и две жидкие «Б» и «В». Фаза «В» представляет собой активное вещество пли его раствор, а «Б» — смесь пропеллента с остальными жидкими компонентами, не совмещающимися с раствором активного вещества. При взбалтывании упаковки образуется одна жидкая фаза «Б». При этом «Б» служит дисперсионной средой, а «В» – дисперсной фазой. При открытом положении клапана, как и в предыдущем примере, насыщенные пары пропеллента (фаза А) выдавливают эмульсию наружу, где она дробится на мелкие частички «Р».

В обоих случаях газовая фаза, состоящая в основном из насыщенных паров пропеллентов, служит для выдачи жидкой фазы в воздух при открытом положении клапана. Жидкая фаза, состоящая из жидкого продукта и пропеллента, после выдачи из упаковки дробится в воздухе на мелкие частицы, благодаря бурному испарению содержащегося в ней пропеллента.

Размеры распыляемых частиц зависят от количества пропеллента в содержимом баллона, температуры кипения пропеллента, летучести растворителя, температуры окружающей среды, вязкости продукта, конструкции клапана и т. д. Например, характер распыления при 20С в зависимости от количества пропеллента (фреон-12 или смесь фреонов 11 и 12) в жидкой фазе при одной и той же конструкции клапана имеет следующие особенности:

1. При   содержании   пропеллента   в   аэрозольной   упаковке   до 30% (от массы) выдача  продукта из упаковки  осуществляется  в  виде струи,   что используется только в редких специальных случаях.

2. При содержании пропеллента от 30 до 50 вес.% получается грубое распыление,  которое почти не применяется.

3. Составы, содержащие от 50 до 60 вес.%  пропеллента,  употребляются для распыления жидкостей, предназначенных для нанесения на поверхности, например, лакокрасочных материалов (эмали, лаки и  краски), пятновыводителей,  средств для чистки и полировки, средств для подкрахмаливания и т. д.

4. Составы, содержащие от 70 до 90 вес. % пропеллента, используются для распыления жидкостей с целью образования облака из мельчайших капель, которое способно довольно долго удерживаться в воздухе.

Такие составы используются для распыления средств уничтожения летающих насекомых; освежителей воздуха, удаляющих неприятный запах в помещениях; различных дезинфекционных средств и т. д.

Внутреннее давление в упаковке не влияет непосредственно на размер частиц, так как оно определяется не количеством сжиженного газа в баллоне, а давлением его насыщенного пара, которое остается постоянным, пока не будет израсходована последняя капля пропеллента. От внутреннего давления зависит в некоторой степени конус распыления и режим расхода содержимого.

Температура окружающей среды влияет на распыление следующим образом.

Во-первых, давление насыщенного пара пропеллента находится в прямой зависимости от температуры, т. е.  при понижении температуры – понижается, при повышении — повышается. Во-вторых, растворители улетучиваются быстрее при повышенных температурах, чем при низких. В-третьих, если используются вещества, вязкость которых сильно колеблется с изменением температуры, тогда и размеры образующихся частиц также будут зависеть от изменений температуры.

Иногда при повышении температуры содержимое баллона расслаивается. Это  явление исчезает при повышении температуры. Летучесть растворителей также влияет на размеры частиц.

Чем более легколетучи растворители, тем дисперсность распыления выше, и наоборот.   Конструкция используемых клапанов также определяет дисперсность струи.

Продукт и пропеллент несовместимы

В качестве пропеллентов в таких системах применяются сжиженные пропан, бутан, изобутан и другие парафиновые углеводороды. Водный   раствор и жидкий пропеллент образуют две отдельные жидкие фазы (см. рис.), где вода образует нижний слой «В», а парафиновые углеводороды (плотностью 0,5 – 0,6) – верхний слой «Б». Пары пропеллентов образуют газовую фазу «А». 

Такие аэрозольные упаковки перед употреблением не разрешается взбалтывать, т.к. жидкий пропеллент здесь служит только для снабжения парами газовой фазы. Последняя обеспечивает соответствующее давление в упаковке. В отличие от предыдущего случая, здесь характер распыления зависит от внутреннего давления.

Пропеллент, не совмещенный с водным раствором, в самом процессе дробления жидкости в воздухе не участвует. Для этой цели применяются специальные конструкции распылительных головок, которые механически дробят струю на мелкие частицы «Р». Характер распыления зависит от силы подачи продукта в головку.

Конкретным примером распыления водных растворов с помощью парафиновых углеводородов является работа аэрозольных упаковок, содержащих средства для подкрахмаливания белья. Крахмал в водном растворе распыляется при помощи смеси пропана и бутана.

Для распыления водных растворов употребляются также сжатые газы: азот, закись азота, двуокись углерода, но они не обеспечивают полную выдачу продукта из аэрозольных упаковок (Так как по мере работы такой упаковки давление в ней падает и может сравняться с атмосферным  раньше, чем весь продукт будет использован). Сжатые газы нерастворимы в воде или растворяются в ней очень мало. Если газ в какой-то степени растворяется в воде, то осуществляется более полная выдача продукта из упаковки (см. рис.). Азот, который практически не растворяется в растворе продукта, не выдает из аэрозольной упаковки до 10% состава, а закись азота и углекислый газ, которые в небольших количествах растворимы в воде, обеспечивают более полную выдачу продукта.

При использовании, сжатых газов следует опасаться утечки пропеллента. Так как количество его в баллоне не превышает нескольких граммов, даже незначительная утечка пропеллента может привести к неполной выдаче продукта.

При распылении водных растворов с помощью сжатых газов в упаковке также имеется только одна жидкая фаза, и перед употреблением не требуется предварительно взбалтывать баллон.

Получение пен

Аэрозольные упаковки для выдачи жидкости в виде пены используются в основном в быту, медицине, ветеринарии и косметике. Жидкости, которые при выдаче из упаковки образуют пену, являются водными растворами активного вещества и пенообразователя. Так как пропеллент в этом случае не должен совмещаться с раствором, в подобных составах употребляют фреоны, а также парафиновые углеводороды. Они образуют в данном случае эмульсии, в которых дисперсионной средой является водный раствор, а дисперсной фазой — фреон. Количество пропеллента не превышает 20 вес. %. При хранении эмульсия может расслаиваться, поэтому перед употреблением необходимо аэрозольную упаковку взбалтывать. После попадания эмульсии в воздух, фреон начинает испаряться и пузырьки газа, находящиеся в жидком продукте, постепенно увеличиваясь в объеме, образуют пену, т. е. сравнительно грубую, высококонцентрированную дисперсию паров пропеллента в жидком продукте.

Структура пены зависит, во-первых, от состава, свойств и соотношений растворенных в воде веществ, во-вторых, от соотношения водного раствора и пропеллента и, в-третьих, от давления насыщенных паров последнего. При одинаковом количестве пропеллентов наиболее жесткая упругая пена получается там, где выше всего давление паров.

Пены могут быть устойчивые и неустойчивые. Для получения устойчивых пен применяют стабилизаторы. Прочность и продолжительность существования пены зависит от природы и количества присутствующего пенообразователя, концентрирующегося в результате адсорбции на межфазной поверхности. К типичным пенообразователям для водных пен принадлежат поверхностно-активные вещества, синтезированные на основе спиртов и жирных кислот, а также мыла и мылоподобные вещества, белки и т. д. [22]. Для стабилизации пен употребляются различные стабилизаторы. Со временем пленки жидкости между пузырьками пены утончаются вследствие стекания жидкости, пузырьки лопаются, пары пропеллента улетучиваются, и вместо пены остается одна жидкая фаза — раствор пенообразователя в воде.

Выдача продукта в виде пены из аэрозольной упаковки осуществляется при помощи специальных конструкций распылительных головок (рис. 8).

Пасты

Пасты, т. е. густые эмульсии, при выдаче из аэрозольных упаковок приобретают форму густых лент различных конфигураций в зависимости от конструкции сопла распылительной головки. В качество пропеллента здесь применяют сжатые газы, например, азот, закись азота, углекислый газ и т. д. Растворимость этих газов в пастах незначительна, поэтому сжатые газы служат только для выдачи паст из упаковки, при этом с продуктом не происходит никаких превращений, и в упаковке имеется двухфазная система. Аэрозольные упаковки пастообразных продуктов используются в быту, парфюмерии, медицине, но чаще всего их применяют для пищевых продуктов.

Основные области применения аэрозольных составов

Как уже было сказано, области применения аэрозолей весьма обширны – от парфюмерии, косметики и медицины до средств борьбы с насекомыми. Поэтому в зависимости от направления применения конечного продукта, в одних случаях предъявляются одни требования к пропелленту и его содержанию в составе, в других – совершенно другие. В нижеследующей таблице представлены данные о сферах использования конечных продуктов, типах пропеллентов и их содержании в аэрозольной композиции.

Направления использования пропеллентов и их содержание в аэрозольных композициях

Естественно, во всех тех областях, где применяются углеводородные пропелленты, могут применяться и находят ограниченное применение хладоны. Естественно, по понятным причинам пропан-бутановые смеси не применяются в пожаротушении, ограниченно применяются в медицине и в изготовлении пищевых продуктов. В пожаротушении используемые хладоны являются не только и не столько пропеллентами, сколько компонентами пожаротушащего состава. Пропан-бутан или ДМЭ являются далеко не самыми подходящими компонентами для пожаротушения.

В медицинских аэрозолях углеводородные пропелленты не находят широкого применения в силу их возможного токсичного действия на организм человека. По этой же причине они не используются в пищевых продуктах, к тому же пищевые аэрозоли – это, как правило, пасты, а в пастах принято использовать N2O или N2. Применение углеводородных пропеллентов в этих областях использования возможно лишь в случае, когда вещество находится в отдельной от пропеллента емкости и недоступно для контакта с ним. Пропеллент оказывает давление на емкость и происходит выброс вещества. Как правило, это не практикуется в силу технической сложности и дороговизны. Обычно применяют альтернативные углеводородным пропелленты.

В медицине используются старые запасы хладона 11 и хладона 12 (в основном хладон 12) и относительно недавно разработанный хладон 227еа.

Более того, поставщики озонобезопасных хладоновых пропеллентов и производители смесей из них выражают точку зрения, что использование пропан-бутановых пропеллентов в косметических аэрозолях может оказывать негативное влияние на организм человека. В связи с этим справедливости ради представим основные марки хладонов, которые использовались ранее и находят ограниченное использование в настоящее время в качестве пропеллентов. Некоторые из них запрещены к производству и потреблению.

Помимо хладонов часто в качестве пропеллента используется диметиловый эфир, азот и оксид азота. Следующую главу посвятим рынку этих веществ.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка продуктов в аэрозольной упаковке можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок продуктов в аэрозольной упаковке в России».

www.newchemistry.ru