化妆品多为乳液状、膏状、水状、粉状，是由多种化学原料、天然原料复配的一种精细化学品，在生产过程中较少发生化学反应。用于化妆品生产的设备多为一些中小型化工企业的简单加工设备，同时它们具有多用性，同一种设备可用于不同类型的产品的生产。化妆品最终的状态和流变性质取决于原料的属性、配比，除此之外最重要的影响因素来自于设备的选择和使用。在化妆品的制备过程中主要涉及原料的粉碎、研磨，物料的混合、乳化、分散，物料的输送、加热、灭菌，产品的成型、包装，化妆品用水的纯化等多个环节。本章根据化妆品的类型和工段的差异，主要介绍膏乳制品的乳化设备、乳化后混合脱气设备以及附属的纯化设备、灭菌设备和灌装设备等。

乳化设备

膏乳类化妆品包括雪花膏、冷霜、营养霜、润肤乳、洗发乳、防晒霜、洗面奶、护手霜等，是化妆品中最常用的一个大类。膏乳类化妆品常用的设备主要有各种类型的搅拌设备、均质设备、三辊研磨机、真空脱气设备等。在膏乳类化妆品的生产过程中保证质量的最关键的一步是乳化，因此乳化设备是最为重要的一种设备。对于膏乳类化妆品，乳化过程的控制是至关重要的环节，可影响产品的最终状态、稳定性、流变性质。在精细化学品工业中常用的乳化方法有物理化学结合法和机械法。化妆品的制备过程中，很少涉及化学反应，机械法混合是最为常用的方法。根据乳化设备的差异和过程的差别，机械法又被分成了管动法、射流法、搅拌法、均质法等，其中搅拌法和均质法是目前化妆品工业中最为常用的两种方法。一般搅拌乳化可得到颗粒度为5～10μm的乳液，胶体磨可将乳液的颗粒度控制在1～5μm，超声波乳化机、高剪切均质和高压均质机则能实现1μm以下。最为常用的搅拌法，获得的乳液粒径较大，稳定性和细腻度不佳。因此，为了提高化妆品的品质，具有更强分散能力的高效能均质乳化设备（如胶体磨、高剪切均质机、高压均质机、超声波乳化机）目前被大量采用。

因此本节主要介绍膏乳类化妆品乳化过程中常用的搅拌设备和均质机，并简单介绍不同设备的作用原理和适用条件。

搅拌乳化设备

1-1：搅拌乳化机理和乳液稳定性

1）搅拌乳化机理　搅拌乳化是有水分散体系的最为基础也是最为常用的手段，根据搅拌容器中物料的混合方式的差异，物料的搅拌乳化主要通过以下几种机制实现。

①对流混合。搅拌容器中，通过搅拌器的旋转把机械能传递给液体物料，引起液体的流动，产生强制对流，形成物料的对流混合。主要包括主体对流（物料大范围的循环流动）和涡流对流（漩涡的对流运动）。

②扩散混合。搅拌容器中，各组分在混合的过程中，以分子热运动（扩散）形式向四周无规则运动，从而增加了两个组分间的接触面积且缩短了扩散平均自由程，达到均匀分布的目的。对于互不相溶组分的粒子，在混合过程中以单个粒子为单元向四周移动，类似气体和液体分子的扩散，使各组分的粒子先在局部范围内扩散，达到均匀分布。

③剪切混合。剪切混合是指搅拌器通过机械作用在物料粒子间形成剪切面之间的滑移和冲撞作用，促进了物料之间的局部混合。对于高黏度流变物料，剪切混合是主要的混合驱动力。

（2）液体混合物的稳定性　液体混合物的稳定性是指参与混合的各组分（液体、固体、气体）分散后，抵抗重新聚集或分层的能力。通常，相溶的液体与液体的混合物、以及相溶的固体和液体之间的混合物是最稳定的；不溶固体与液体、液体与液体之间的混合物稳定性较差。分散体系稳定的关键是要选择合适的乳化剂，以及合适的乳化设备。

1-2：搅拌乳化设备的构成和类型

液态非均相的物质之间的初步混合和加热通常通过搅拌器或搅拌釜实现，其中小规模生产可通过搅拌器实现，而大规模的生产则需要采用搅拌釜。搅拌乳化设备一般用来处理低黏度或中等黏度的液体。

（1）搅拌乳化设备的构成　搅拌釜的基本构造由搅拌器（又称叶轮）、测温装置、取样装置、釜壳等组成。搅拌器的主要功能是实现物料的混合、分散、乳化。它主要由搅拌桨、搅拌轴、电机、变速器等部分组成。搅拌釜壳一般是具有夹套结构的金属、玻璃、搪瓷的圆筒形外壳，釜内壁多为耐酸碱的搪瓷涂层。为了进料和出料的方便，夹套上端通常设有加料口，下端设有出料口，夹套内可添加循环导热介质（硅油或水），配合导热介质的生产过程则需要外加高温循环泵。部分不具有夹套结构的搅拌釜，则可将导热介质通过蛇形管置于釜内，实现乳化过程的有效控温。为了机械结构的稳定，搅拌机通常被固定于釜顶，或者固定于可以移动的稳定构件上。

（2）搅拌乳化设备的类型

①立式搅拌釜。立式搅拌釜是最为常用的稳定搅拌设备，如图10-1所示，该类搅拌釜的特点是搅拌器垂直安装，电机、变速器、轴的中心在一条垂直于地面的线上。

立式搅拌釜的结构图

②卧式搅拌釜。卧式搅拌釜通常是轴对称的结构，轴为平行于地面的水平型（图10-2），其最显著的优势是改变了釜内物料的高度，增大了液面表面积，改善搅拌设备的振动稳定性，可有效结合物料的沉降平衡和搅拌混合，快速实现物料的混合与乳化。通常配合安装无通轴螺带式搅拌器，有效地实现水平方向上的整体混合。部分卧式搅拌釜的螺带式搅拌器的螺带结构采用中空钢管，并在钢管上设计通气小孔。气体从气孔进入，分布到框架管内，又从管上的其他小孔排出，均匀分布在液体中，搅拌器在转动过程中带动液体流动同时促进气体在液体中的分布，这样比固定分布管式结构的分散效果更好。

卧式搅拌釜的结构图

③偏心搅拌设备。搅拌器偏心安装的乳化搅拌设备为偏心搅拌设备，这种搅拌设备通常可以改变釜内的液体循环路线（图10-3），可以解决搅拌过程中液体分层，物料沉降等问题。

　偏心搅拌器液体流动形状

④移动式搅拌设备。移动式搅拌设备一般由搅拌器、轴和电机构成，可以完成小规模搅拌、混合、乳化等过程，搅拌器本身不具筒状的釜体结构，因此使用过程中需要根据需求配合使用能够加热的外部设备（图10-4）。该类搅拌设备具有便携、灵活、简便的优势，适合于实验室小规模的研究和生产。

移动式搅拌器

搅拌器的分类和液体流动方式

（1）搅拌器的分类　搅拌器又称为搅拌桨，是搅拌釜结构中最为关键的部件。在液体介质的混合中，搅拌器的类型决定了分散体系的乳化效果、乳化速率、产品的稳定性。搅拌器根据搅拌速率可以初步分为高速型和低速型两大类。高速搅拌器主要适用于低黏度的液体物料的分散、乳化、混合；低速搅拌器是指在相对静止的情况下工作的一类搅拌器，适用于高黏度物料之间的搅拌分散。根据结构差异，又可将搅拌器分为桨式搅拌器、旋桨式搅拌器、涡轮式搅拌器、框式搅拌器、锚式搅拌器等。

（2）搅拌器与液体流动方式　搅拌引起液体运动，运动液体具有三个方向的速度，分别是径向速度、轴向速度和切向速度。其中径向速度和轴向速度对混合起关键作用。切向速度使液体绕轴转动，形成速度不同的液层，在离心力的作用下，产生表面下凹的旋涡，形成打旋现象。搅拌将产生三种基本流型：轴向流动、径向流动、轴向和径向混合流动，图10-5为搅拌器与基本流型之间的关系。

搅拌器流型分类图谱

①轴向流动。轴向流动是指液体从轴向流入叶轮，并从轴向流出，搅拌速度较快时产生打旋现象，转速越快漩涡越深，速度极快时叶片可露出液面[见图10-6（a）]，导致空气混入混合体系而产生气泡，影响乳剂外观。为了解决这个问题，釜壁通常会安装挡板，这样可以有效地避免产生漩涡现象[见图10-6（b）] 。常见的可产生轴向流动的搅拌器有旋桨式搅拌器、螺杆式搅拌器等。

轴向流动无挡板（a）和有挡板（b）的流体形状

②径向流动。径向流动是指液体从轴向流入，从径向流出的流体运动形式（图10-7）。釜壁安装挡板，可促进液体径向流动，得到较好的搅拌乳化效果。较为典型的径向流动搅拌器有涡轮式搅拌器和平直的叶片式搅拌器。

径向流动

③轴向和径向混合流动。混合流动是指液体在发生轴向流动的同时在转轴附近有部分液体自上而下地流动，向釜底推进后由锅底往上流动进行循环，产生径向流动（图10-8）。较为典型的混合式搅拌器有折叶式叶片搅拌器。

轴向和径向混合流动

1-3：叶片式搅拌器

叶片式搅拌器又称桨式搅拌器，是最为简单的一种搅拌器。桨叶由平板条钢制造，一般叶片的数量为2～4片，桨叶直径为釜体的内径的1/3～2/3。根据桨叶的形态分为平直叶式和折叶式（图10-9）。平直叶式搅拌器的叶片和旋转平面垂直，桨叶直径与高度比为4～10，圆周的旋转速率为20～150r/min，主要产生径向流动。折叶式搅拌器通常由直叶式搅拌器的叶片相反折转一定角度得到，折角可产生轴向流，使叶轮兼有轴向流和径向流的优势，目前叶片式搅拌器中以折叶式较为常用。叶片式搅拌器在众多搅拌器中结构相对简单，适用于低黏度物料以及固体物料的混合，当容器内液位较高时，可在同一轴上同时安装多排桨叶来提高分散效果。

　折叶式搅拌器的常见结构

1-5：旋桨式搅拌器

旋桨式搅拌器与轮船的螺旋桨推进器的形状相似，因此也被称为推进式搅拌器。如图10-10所示，搅拌器的结构通常是由2～3片旋转桨组成，桨片通常采用螺母固定于轴上，为了结构稳定，螺母的拧紧方向与桨叶旋转方向相反。桨叶旋转直径约为容器直径的0.2～0.3倍，搅拌器叶片与旋转平面具有一定的角度，以轴向流为主，伴有径向流。由于螺旋桨的推进作用，使得液体在搅拌罐中心附近形成向下的流动，外部液体则呈现向上的流动，通过中心物料和外部物料的循环实现物料分散（图10-6）。旋桨式搅拌器最高转速可达300r/min，循环量大，适用于大容器低黏度（<2Pa·s）物料的混合。

普通旋桨式搅拌器的结构

1-5：涡轮式搅拌器

涡轮式搅拌器的基本结构类似于离心泵，由轴、圆盘、叶片组成。圆盘和叶片（4～6片）相互垂直。常见叶片为平直或弯曲状态，桨叶的外径、宽度与高度的比通常为20∶5∶4。该类搅拌器的搅拌速度较高，一般转速为100～500r/min。

　涡轮式搅拌器的结构

涡轮式搅拌器在搅拌过程中，搅拌器高速运转可产生强大的离心力，将液体物料吸入轮心，同时在离心力的作用下液体沿着涡轮切线的方向抛出，湍流程度大，剪切力大，可将乳液细化。涡轮式搅拌器主要产生径向流，同时也伴随着轴向流。该搅拌器适用于4～6m3液体物料的混合，也可用于气体及其不相溶液体、固液之间的混合。与旋桨式搅拌器相比涡轮式搅拌器液体流动的方式更为丰富，流动的速度更高，桨叶附近液体的湍流更为剧烈，剪切力更大，因此在乳化过程中可以获得粒径更小的乳液。如图所示，由于涡轮转动的高速离心力对上下层液体均有较强的吸入力，因此搅拌器上下物料均可形成自身的液体流动回路，这一特点使得涡轮式搅拌器不适用于容易分层液体物料的混合。为了解决这一问题，通常是将该类搅拌器安装位置更偏向釜的底部，使得搅拌器以下径向流动的液体碰底后快速折回，并带动底部密度较大的物料，实现釜内物料的良好循环。此外，也可通过加挡板减小轮中心的离心漩涡，增强折流引起的轴向流等方式更好地混合物料。倾斜安装涡轮搅拌器可破坏常规的循环回路增加旋转的阻力，也可实现分层物料之间混合的目的。总体而言，涡轮式搅拌器适用于中低黏度物料。

1-6：框式搅拌器

框式搅拌器适用于高黏度物料的搅拌，其外形轮廓与容器壁形状相似，底部形状适应罐底轮廓，多为椭圆或锥形等，桨叶外缘至容器底部的距离为30～50mm[图10-12（a）]。框式的结构简单坚固，制造方便，而且在工作时能搅动大量的物料，不易产生死区。此类搅拌器的转速较慢，所产生的液流的径向速度较大，而轴向速度较低，为了加强轴向混合，并减小因切线速度所产生的表面漩涡，可加装挡板。

1-7：锚式搅拌器

锚式搅拌器与框式搅拌器类似，其外形类似于轮船的锚，因此得名，桨叶外缘形状与搅拌槽内壁间间隙较小[图10-12（b）]，在搅拌过程中可清除附着于槽壁的黏性物质或堆积于槽底的沉淀物，能够保持较好的传热效果。桨叶外缘的圆周速度为15～80r/min，可用于搅拌黏度高达 200Pa·s的牛顿型流体和拟塑性流体。

　框式搅拌器（a）和锚式搅拌器（b）的形状和液体流动

1-8：螺带式或螺杆式搅拌器

螺杆式搅拌器采用焊接的方式将平板叶片以螺旋的方式焊接在轴上[图10-13（a）]。螺带式搅拌器有单条或双条螺带结构，螺旋之间采用支撑杆固定，每个螺距设置2～3根杆件用于螺带的固定[图10-13（b）]。螺带或螺杆的外廓尺寸接近容器内壁，使搅拌涉及整个罐体。螺带或螺杆式搅拌器均为轴流型搅拌器，工作过程中，液体物料沿螺旋外侧螺旋上升，在中心形成凹穴汇合，形成外上内下的对流循环。该类搅拌器具有较强的防止物料附着于釜壁的作用，因此适用于高黏度液体或粉状物料的混合。螺带和螺杆的形式可根据容器的几何形状和液层高度来确定。一般单螺带式、双螺带式搅拌器适用于平底或椭圆底容器；锥形螺带式搅拌器（图10-14）适用于90°锥底容器。

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