Drei verschiedene Pulverphasen
Pulver sind ein einzigartiges Dreiphasenmaterial. Es besteht aus einer festen Phase in Form von Partikeln, einer Gasphase zwischen den Partikeln und einer flüssigen Phase auf der Oberfläche der Partikel oder im Inneren ihrer Struktur.
A Pulver Pulver sind eine lose Mischung aus festen, flüssigen und gasförmigen Phasen. Es herrscht der weitverbreitete Irrglaube, das Verhalten eines Pulvers ließe sich allein durch seine Fließeigenschaften beschreiben. Diese Eigenschaften seien diskret und mit einer einzigen Zahl quantifizierbar. Leider sind beide Annahmen falsch. Deshalb verstehen wir das Verhalten von Pulvern selbst im 21. Jahrhundert noch nicht vollständig.
Stellen Sie sich ein Glasgefäß mit losem Pulver vor. Überlegen Sie, wie sich das Pulver verhält, wenn das Glas umgestoßen wird. Überlegen Sie, wie sich das Pulver verhält, wenn das Glas hochgehoben und wiederholt auf eine harte Oberfläche geklopft wird. Jeder Unterschied im Verhalten eines Pulvers in losem Zustand gegenüber seinem verdichteten Zustand ist auf seine Eigenschaften zurückzuführen. Wenn das Pulver beispielsweise wie trockener Sand ist, kann sein Verhalten vor und nach der Verdichtung ungefähr gleich sein. Wenn das Pulver jedoch wie Mehl ist, können nach der Verdichtung sehr unterschiedliche Fließeigenschaften beobachtet werden. Dies ist eine wichtige und typische Eigenschaft von Pulvern.
Diese Eigenschaften sind für das Verständnis des Pulververhaltens von entscheidender Bedeutung. externe Variablen– wie etwa der Grad der Belüftung oder Verdichtung – sind ebenso wichtig. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Partikel ändern sich in diesen Zuständen nicht. Es sind die Luftmenge und der Kontaktdruck zwischen den Partikeln, die dafür sorgen, dass sich die Strömung deutlich unterscheidet.
Einfluss externer Variablen
Wie in den vorherigen Beispielen gezeigt, verhalten sich Pulver sehr unterschiedlich, wenn sie belüftet, locker oder verfestigt sind. Einige Pulver reagieren sehr empfindlich auf diese Variablen, andere nicht. Einige Pulver können gut fließen, wenn sie belüftet und locker sind, verursachen aber Probleme, wenn sie verfestigt sind (z. B. Toner). Andere Pulver können in lockerem Zustand angemessen (gut) fließen und in verfestigtem Zustand nicht viel bewirken, weisen aber in belüftetem Zustand eine echte Verbesserung des Fließens auf (z. B. Keramikpulver, siehe Video). Basierend auf diesen Beobachtungen ist es unwahrscheinlich, dass eine einzelne Zahl ausreichend beschreibt, wie ein Pulver auf große Mengen an Belüftung oder hohe Verfestigungsgrade während der Verarbeitung und Anwendung reagiert.
In Bezug auf die Fließeigenschaften sind Konsolidierungsspannung und Luftgehalt die beiden Variablen, die den größten Einfluss haben. Das Pulververhalten wird jedoch auch von Verarbeitungsgeschwindigkeiten wie Mischgeschwindigkeit oder Linienfüllgeschwindigkeit sowie anderen Faktoren wie Umgebungsfeuchtigkeit und Lagerzeit beeinflusst. Ein Pulver mit hervorragenden Eigenschaften kann eine schlechte Leistung aufweisen, wenn es in einer Umgebung mit etwas höherer Luftfeuchtigkeit als normal gelagert oder verarbeitet wird.
Pulververhalten
| Externe Variablen | Wann und wo sie auftreten | Wirkung |
| Konsolidierung | Vibration / Schlag Direktdruck (Trichter, IBCs, Fässer) | Erhöhter Druck, Kontaktfläche und Anzahl der Kontaktpunkte zwischen den Partikeln. Reduzierter Luftgehalt zwischen den Partikeln (verringerte Porosität). |
| Belüftung | Schwerkraftentladung, Mischen, pneumatische Förderung, Zerstäubung | Druck, Kontaktfläche und Anzahl der Kontaktpunkte zwischen den Partikeln nehmen ab. Der Luftgehalt zwischen den Partikeln nimmt zu (erhöhte Porosität). |
| Strömungsgeschwindigkeit (Schergeschwindigkeit) | Im Pulver, Zwischen Pulver und Gerätewand, Mischen | Überwiegend nicht-Newtonsche Strömung Erhöhter Strömungswiderstand bei niedrigen Durchflussraten |
| Luftfeuchtigkeit | Lagerung Verarbeitung Humanzugabe (Granulation) | Erhöhung der Haftung zwischen Partikeln Erhöhung der Haftung zwischen Partikeln Erhöhung der Leitfähigkeit |
| Statische Elektrizität | Entleerung aus dem Trichter Pneumatische Förderung Mischen mit hoher Scherkraft | Erhöhung der Bindungsstärke zwischen den Partikeln Pulver haftet an der Ausrüstung |
| Speicherdauer | Rohstoffe/Zwischenprodukte | Konsolidierung, Agglomeration, dauerhafte Auswirkungen auf die nachgelagerte Leistung |
Andere Situationen für Partikeleigenschaften
Während sich einige Variablen relativ einfach kontrollieren lassen, sind Veränderungen des Luftgehalts und der Konsolidierungsspannung während der Verarbeitung oft schwer zu vermeiden. Selbst beim Durchlaufen einer einfachen Förderrinne kann Luft in das Material gelangen und eine Konsolidierung bewirken. Durch die Belüftung dehnen sich die Pulver aus und die Partikel verteilen sich weiter voneinander. Dies geschieht in vielen Prozessen, darunter Mischen, Abfüllen und Entladen – selbst wenn keine pneumatische Förderung ohne externe Luftzufuhr verwendet wird.
Das Erkennen, dass jede dieser externen Variablen das Pulververhalten verändern kann, ist der erste Schritt zu einem besseren Verständnis der Prozessleistung. Als nächstes kann die Messung der Reaktion des Pulvers auf verschiedene externe Variablen Aufschluss darüber geben, warum sich das Pulver auf eine bestimmte Weise verhält, und Möglichkeiten zur Optimierung sowohl der Rezeptur als auch der Produktionseffizienz bieten.
Einfluss der Partikeleigenschaften
Neben den externen Einflussfaktoren gibt es zahlreiche weitere Partikeleigenschaften, die das Verhalten von losen Pulvern beeinflussen. Partikel sind komplex, und es gibt viel zu viele Parameter, um sie vollständig zu beschreiben. Partikelgröße und -größenverteilung werden häufig berücksichtigt und sind nach wie vor wichtige Parameter.
Es gibt jedoch noch viele weitere Partikeleigenschaften, die das Gesamtverhalten des Pulvers beeinflussen. Zu den wichtigsten Partikeleigenschaften gehören:
Hinweis: Jede dieser Eigenschaften ist eher eine Verteilung als ein einzelner Wert. Einige können direkt gemessen werden, während andere schwieriger zu quantifizieren sind. Alle können jedoch das Verhalten eines Pulvers beeinflussen. Angesichts der Komplexität und Vielfalt der Partikeleigenschaften und externen Variablen ist die Vorhersage des Pulververhaltens mit einfachen mathematischen Methoden äußerst schwierig, wenn nicht sogar jenseits unserer derzeitigen Möglichkeiten.