История аэрозольного распыления: от «аэрозольной бомбы» до современных технологий.

Введение

Система распыления аэрозольного тумана – высокотемпературное взрывное оружие, также известное как аэрозольная бомба. Аэрозольный спрей – это тип системы распыления, создающий аэрозольный туман из жидких частиц. Он состоит из баллона или бутылки, содержащих рабочую субстанцию и газ-вытеснитель под давлением. При открытии клапана контейнера рабочая субстанция выталкивается через небольшое отверстие и выходит в виде аэрозоля или тумана.

История

Понятие аэрозоля, вероятно, восходит к 1790 году. Первый патент на аэрозольный баллончик был выдан в Осло в 1927 году Эрику Ротеиму, норвежскому инженеру-химику, а патент на изобретение в Соединенных Штатах был выдан в 1931 году. Патентные права были проданы американской компании за 100 000 норвежских крон. Норвежская почтовая служба, Posten Norge, отметила изобретение выпуском почтовой марки в 1998 году. В 1939 году американец Джулиан С. Кан получил патент на одноразовый баллончик, но продукт оставался в значительной степени неразработанным. Идея Кана заключалась в смешивании сливок и пропеллента из двух источников для приготовления взбитых сливок в домашних условиях – это не был аэрозоль в строгом смысле этого слова. Более того, в 1949 году он отказался от своих первых четырех пунктов патентных требований, которые являлись основой для его последующих патентных требований. Лишь в 1941 году аэрозольный баллончик был впервые эффективно использован американцами Лайлом Гудхью и Уильямом Салливаном из Бюро энтомологии и карантина растений США, которым приписывают изобретение современного баллончика. Их конструкция перезаполняемого баллончика, получившая название «аэрозольная бомба» или «бомба от насекомых», является прародителем многих коммерческих спрей-продуктов. Это была стальная банка размером с руку, заряженная сжиженным газом под давлением 75 фунтов и продуктом, который должен был распыляться в виде тумана или пены. На изобретение был выдан патент в общественных интересах и передан секретарю сельского хозяйства для свободного использования гражданами Соединенных Штатов. Благодаря давлению сжиженного газа, который придавал ему пропеллентные свойства, небольшой, портативный баллончик позволял солдатам защищаться от комаров, переносящих малярию, распыляя средство внутри палаток и самолетов в Тихом океане во время Второй мировой войны. 28 августа 1970 года в Осло, Норвегия, Гудхью и Салливан получили первую золотую медаль Эрика Ротейма от Федерации европейских аэрозольных ассоциаций в знак признания их ранних патентов и последующей новаторской работы в области аэрозольных спреев. В 1948 году правительство Соединенных Штатов выдало лицензии на производство аэрозольных спреев трем компаниям. Две из этих компаний, Chase Products Company и Claire Manufacturing, продолжают производить аэрозольные спреи. «Кримп-клапан», используемый для управления распылением в аэрозольных баллончиках низкого давления, был разработан в 1949 году владельцем машинной мастерской в Бронксе Робертом Х. Абпланальпом. В 1974 году доктора Фрэнк Шервуд Роуленд и Марио Дж. Молина предположили, что хлорфторуглероды (ХФУ), используемые в качестве пропеллентов в аэрозольных спреях, способствуют истощению озонового слоя Земли. В ответ на эту теорию Конгресс США в 1977 году принял поправки к Закону о чистом воздухе, уполномочивающие Агентство по охране окружающей среды регулировать содержание ХФУ в атмосфере. В том же году Программа ООН по окружающей среде призвала к исследованиям озонового слоя, а в 1981 году одобрила глобальную рамочную конвенцию об охране озонового слоя. В 1985 году Джо Фарман, Брайан Г. Гардинер и Джон Шенклин опубликовали первую научную статью, в которой подробно описывалось образование озоновой дыры. В том же году в ответ на призыв ООН была подписана Венская конвенция. Два года спустя был официально подписан Монреальский протокол, регулирующий производство ХФУ. Он вступил в силу в 1989 году.

The concepts of aerosol probably go as far back as 1790. The first aerosol spray can patent was granted in Oslo in 1927 to Erik Rotheim, a Norwegian chemical engineer, and a United States patent was granted for the invention in 1931. The patent rights were sold to a United States company for 100,000 Norwegian kroner. The Norwegian Postal Service, Posten Norge, celebrated the invention by issuing a stamp in 1998. In 1939, American Julian S. Kahn received a patent for a disposable spray can, but the product remained largely undeveloped. Kahn's idea was to mix cream and a propellant from two sources to make whipped cream at home—not a true aerosol in that sense. Moreover, in 1949, he disclaimed his first four claims, which were the foundation of his following patent claims. It was not until 1941 that the aerosol spray can was first put to effective use by Americans Lyle Goodhue and William Sullivan of the United States Bureau of Entomology and Plant Quarantine, who are credited as the inventors of the modern spray can. Their design of a refillable spray can, dubbed the aerosol bomb or bug bomb, is the ancestor of many commercial spray products. It was a hand sized steel can charged with a liquefied gas under 75 pounds of pressure and a product to be expelled as a mist or a foam. A public service patent was issued on the invention and assigned to the Secretary of Agriculture for the free use of the people of the United States. Pressurized by liquefied gas, which gave it propellant qualities, the small, portable can enabled soldiers to defend themselves against malaria carrying mosquitoes by spraying inside tents and airplanes in the Pacific during World War II. Goodhue and Sullivan received the first Erik Rotheim Gold Medal from the Federation of European Aerosol Associations on August 28, 1970, in Oslo, Norway in recognition of their early patents and subsequent pioneering work with aerosol sprays. In 1948, three companies were granted licenses by the United States government to manufacture aerosol sprays. Two of the three companies, Chase Products Company and Claire Manufacturing, continue to manufacture aerosol sprays. The "crimp on valve", used to control the spray in low pressure aerosol sprays was developed in 1949 by Bronx machine shop proprietor Robert H. Abplanalp. In 1974, Drs. Frank Sherwood Rowland and Mario J. Molina proposed that chlorofluorocarbons, used as propellants in aerosol sprays, contributed to the depletion of Earth's ozone layer. In response to this theory, the U. S. Congress passed amendments to the Clean Air Act in 1977 authorizing the Environmental Protection Agency to regulate the presence of CFCs in the atmosphere. The United Nations Environment Programme called for ozone layer research that same year, and, in 1981, authorized a global framework convention on ozone layer protection. In 1985, Joe Farman, Brian G. Gardiner, and Jon Shanklin published the first scientific paper detailing the hole in the ozone layer. That same year, the Vienna Convention was signed in response to the UN's authorization. Two years later, the Montreal Protocol, which regulated the production of CFCs was formally signed. It came into effect in 1989.

Аэрозольные двигатели

Если бы аэрозольные баллончики просто заполнялись сжатым газом, потребовалось бы либо поддерживать опасно высокое давление и специальную конструкцию сосуда под давлением (как в газовых баллонах), либо количество полезной нагрузки в баллончике было бы небольшим и быстро истощалось. Обычно газ представляет собой пар жидкости с температурой кипения, лишь немного ниже комнатной. Это означает, что внутри баллончика пар может находиться в равновесии со своей жидкой фазой под давлением, превышающим атмосферное (и способным вытеснять полезную нагрузку), но не опасно высоким. По мере выхода газа он немедленно замещается испаряющейся жидкостью. Поскольку пропеллент находится в жидком виде в баллончике, он должен быть смешимым с полезной нагрузкой или растворяться в ней. В газовых пылесосах и спреях для замораживания сама полезная нагрузка выступает в роли пропеллента. Пропеллент в газовом пылесосе – это не "сжатый воздух", как иногда считают, а обычно галоалкан. Хлорфторуглероды (ХФУ) ранее часто использовались в качестве пропеллентов, но с момента вступления в силу Монреальского протокола в 1989 году они были заменены почти во всех странах из-за негативного воздействия ХФУ на озоновый слой Земли. Наиболее распространенными заменителями ХФУ являются смеси летучих углеводородов, как правило, пропан, н-бутан и изобутан. Также используются диметилэфир (ДМЭ) и метилэтилэфир. Все они имеют недостаток – воспламеняемость. Окись азота и углекислый газ также используются в качестве пропеллентов для доставки продуктов питания (например, взбитых сливок и кулинарного спрея). В медицинских аэрозолях, таких как ингаляторы для астмы, используются гидрофторуглероды (ГФУ): либо ГФУ 134a (1,1,1,2-тетрафторэтан), либо ГФУ 227 (1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан) или их комбинации. В последнее время жидкие гидрофторулефины (ГФО) стали все шире применяться в аэрозольных системах благодаря их относительно низкому давлению пара, низкому потенциалу глобального потепления (ПГП) и негорючести. Ручные насосные распылители могут использоваться как альтернатива хранению пропеллента. Оборудование для наполнения жидкими аэрозольными пропеллентами требует дополнительных мер предосторожности, например, установки снаружи производственного цеха в газетной. Оборудование для жидких аэрозольных пропеллентов обычно изготавливается в соответствии с правилами ATEX зоны II/2G (классификация зоны 1).

If aerosol cans were simply filled with compressed gas, it would either need to be at a dangerously high pressure and require special pressure vessel design (like in gas cylinders), or the amount of payload in the can would be small, and rapidly deplete. Usually, the gas is the vapor of a liquid with boiling point slightly lower than room temperature. This means that inside the pressurized can, the vapor can exist in equilibrium with its bulk liquid at a pressure that is higher than atmospheric pressure (and able to expel the payload), but not dangerously high. As gas escapes, it is immediately replaced by evaporating liquid. Since the propellant exists in liquid form in the can, it should be miscible with the payload or dissolved in the payload. In gas dusters and freeze sprays, the payload itself acts as the propellant. The propellant in a gas duster can is not "compressed air" as sometimes assumed, but usually a haloalkane. Chlorofluorocarbons (CFCs) were once often used as propellants, but since the Montreal Protocol came into force in 1989, they have been replaced in nearly every country due to the negative effects CFCs have on Earth's ozone layer. The most common replacements of CFCs are mixtures of volatile hydrocarbons, typically propane, n butane and isobutane. Dimethyl ether (DME) and methyl ethyl ether are also used. All these have the disadvantage of being flammable. Nitrous oxide and carbon dioxide are also used as propellants to deliver foodstuffs (for example, whipped cream and cooking spray). Medicinal aerosols such as asthma inhalers use hydrofluoroalkanes (HFA): either HFA 134a (1,1,1,2, tetrafluoroethane) or HFA 227 (1,1,1,2,3,3,3 heptafluoropropane) or combinations of the two. More recently, liquid hydrofluoroolefin (HFO) propellants have become more widely adopted in aerosol systems due to their relatively low vapor pressure, low global warming potential (GWP), and nonflammability. Manual pump sprays can be used as an alternative to a stored propellant. Liquid aerosol propellant filling machines require additional precautions, such as being mounted externally to the production warehouse in a gas house. Liquid aerosol propellant machines are typically constructed to comply with ATEX Zone II/2G regulations (classification Zone 1).

Упаковка

Современные аэрозольные продукты состоят из трех основных частей: баллончика, клапана и распылителя или кнопки. Баллончик чаще всего изготавливается из лакированной жести (стали с покрытием из олова) и может быть сделан из двух или трех металлических частей, соединенных между собой обжимкой. Алюминиевые баллончики также распространены и обычно используются для более дорогих продуктов или продуктов, предназначенных для создания ощущения премиальности, например, средств личной гигиены. Клапан обжимается на внутренний ободок баллончика, и конструкция этого компонента важна для определения скорости распыления. Распылитель нажимается пользователем для открытия клапана, а пружина закрывает клапан при отпускании. Форма и размер сопла распылителя контролируют размер аэрозольных частиц и радиус распыления.

Альтернативные упаковки без топлива

Настоящие аэрозольные спреи высвобождают свой пропеллент в процессе использования. Среди множества преимуществ, система "bag-in-can" увеличивает срок годности продукта, подходит для использования в любом положении (360 градусов), обеспечивает тихое и не вызывающее охлаждения распыление. Одно из ключевых отличий в производительности по сравнению с традиционными аэрозольными системами заключается в том, что давление при дозировании в баллонах под давлением газа (BoV) снижается по мере расходования продукта. Эта система "мешок в баллоне" используется в упаковке фармацевтической, промышленной, бытовой химии, средств для ухода за животными и других продуктов, требующих полного разделения продукта и пропеллента или почти полного удаления тонких и вязких составов. Более поздней разработкой стал двухкомпонентный (2K) аэрозольный спрей, в котором основной компонент хранится в основной камере, а второй – во вспомогательном контейнере. При активации 2K-аэрозоля аппликатором, разрушающим вспомогательный контейнер, происходит смешение двух компонентов. 2K-аэрозоль выгоден для доставки реактивных смесей; например, 2K-реактивная смесь может использовать мономеры, олигомеры и функционализированные полимеры с низкой молекулярной массой для получения конечного сшитого полимера с высокой молекулярной массой. 2K-аэрозоль позволяет увеличить содержание твердых веществ и создавать высокоэффективные полимерные продукты, такие как износостойкие краски, пены и клеи.