Три различных фазы порошков
Порошки — уникальный трехфазный материал. Он состоит из твердой фазы в виде частиц, газовой фазы между частицами и жидкой фазы на поверхности частиц или внутри их структуры.
А пудра Порошок представляет собой рыхлую совокупность твердых, жидких и газообразных фаз. Распространено заблуждение, что поведение порошка можно описать просто пониманием его реологических свойств. Эти свойства дискретны и количественно измеримы одним числом. К сожалению, обе эти идеи неверны. Именно поэтому даже в XXI веке мы до сих пор не до конца понимаем поведение порошков.
Представьте себе стеклянную банку с сыпучим порошком. Подумайте, как поведет себя порошок, если банку опрокинуть. Подумайте, как поведет себя порошок, если банку поднять и несколько раз постучать по твердой поверхности. Любая разница в поведении порошка в сыпучем состоянии по сравнению с уплотненным обусловлена его свойствами. Например, если порошок похож на сухой песок, его поведение может быть примерно одинаковым до и после уплотнения. Однако, если порошок похож на муку, после уплотнения можно наблюдать совершенно разные свойства текучести. Это важное и типичное свойство порошков.
Хотя эти свойства имеют решающее значение для понимания поведения порошка, внешние переменные— такие как степень аэрации или консолидации — одинаково важны. Химические и физические свойства частиц не изменяются в этих состояниях. Это количество воздуха и контактное давление между частицами, которые заставляют поток существенно отличаться.
Влияние внешних переменных
Как показано в предыдущих примерах, порошки ведут себя совершенно по-разному, когда они аэрированы, рыхлые или консолидированы. Некоторые порошки очень чувствительны к этим переменным, а другие нет. Некоторые порошки могут хорошо течь, когда они аэрированы и рыхлые, но вызывать проблемы при консолидации (например, тонер). Другие порошки могут иметь разумную (хорошую) текучесть при рыхлой обработке и не иметь большого эффекта при консолидации, но иметь реальное улучшение текучести при аэрации (например, керамические порошки, см. видео). Основываясь на этих наблюдениях, маловероятно, что одно число будет адекватно описывать, как порошок будет реагировать на большие объемы аэрации или высокие уровни консолидации во время обработки и нанесения.
С точки зрения свойств текучести наибольшее влияние оказывают напряжение консолидации и содержание воздуха. Однако на поведение порошка также влияют скорости обработки, такие как скорость смешивания или скорость заполнения линии, а также другие факторы, такие как уровень влажности окружающей среды и время хранения. Порошок с превосходными свойствами может демонстрировать плохие характеристики при хранении или обработке в среде с влажностью, немного превышающей нормальную.
Поведение порошка
| Внешние переменные | Когда и где они происходят | Эффект |
| Консолидация | Вибрация/удар Прямое давление (бункеры, IBC, кеги) | Увеличено давление, площадь контакта и количество точек контакта между частицами. Уменьшено содержание воздуха между частицами (уменьшена пористость). |
| Аэрация | Гравитационная разгрузка, смешивание, пневмотранспорт, распыление | Давление, площадь контакта и количество точек контакта между частицами уменьшаются. Содержание воздуха между частицами увеличивается (увеличивается пористость). |
| Скорость потока (сдвига) | В порошке, Между порошком и стенкой оборудования, Смешивание | В основном неньютоновский поток. Повышенное сопротивление потоку при низких скоростях потока. |
| Влажность | Хранение Обработка Добавление человека (гранулирование) | Увеличить адгезию между частицами Увеличить адгезию между частицами Увеличить проводимость |
| Статическое электричество | Выгрузка из бункера Пневмотранспорт Высокосдвиговое смешивание | Увеличивает прочность связи между частицами. Порошок прилипает к оборудованию. |
| Срок хранения | Сырье/промежуточные материалы | Консолидация, агломерация, постоянное влияние на производительность нижестоящих звеньев |
Другие ситуации для свойств частиц
Хотя контролировать некоторые переменные может быть относительно просто, изменения содержания воздуха и напряжения уплотнения в процессе обработки часто трудно избежать. Даже когда порошки проходят через обычный конвейерный желоб, в них может попадать воздух, и может происходить уплотнение. При аэрации порошки расширяются, и частицы становятся более разнесенными друг от друга. Это происходит во многих процессах, включая операции смешивания, наполнения и выгрузки. Даже когда не используется пневматическая транспортировка без внешнего источника воздуха.
Осознание того, что любая из этих внешних переменных может изменить поведение порошка, является первым шагом к лучшему пониманию производительности процесса. Далее, измерение реакции порошка на различные внешние переменные может дать представление о том, почему порошок ведет себя определенным образом, и предоставить возможности для оптимизации как рецептуры, так и эффективности производства.
Влияние свойств частиц
Помимо внешних переменных, существует множество других свойств частиц, влияющих на поведение рыхлых порошков. Частицы — сложные структуры, и параметров слишком много, чтобы полностью их описать. Часто рассматриваются размер частиц и распределение по размерам, и эти два параметра по-прежнему важны.
Однако есть много других свойств частиц, которые влияют на общее поведение порошка. Ключевые свойства частиц включают:
Примечание: Каждое из этих свойств представляет собой скорее распределение, чем отдельное значение. Некоторые из них можно измерить напрямую, а другие сложнее количественно оценить. Однако все они могут влиять на поведение порошка. Учитывая сложность и разнообразие свойств частиц и внешних переменных, прогнозирование поведения порошка с использованием базовых математических методов чрезвычайно сложно, если не выходит за рамки наших текущих возможностей.