Einführung

Die Eigenschaften von trockenen und feuchten Pulvern können so unterschiedlich sein wie die von Kreide und Käse. Die Aufnahme selbst geringer Feuchtigkeitsmengen kann die Pulvereigenschaften verändern, so dass die Feuchtigkeit und ihre Auswirkungen für Pulververarbeiter ein kritisches Thema sind. Zwar können Maßnahmen zur Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts ergriffen werden, beispielsweise durch Trocknen des Materials vor der Verarbeitung oder durch Lagerung unter genau definierten Bedingungen, doch hängt die kosteneffiziente Anwendung solcher Maßnahmen davon ab, wann sie wirklich erforderlich sind. Eine unzureichende Feuchtigkeitskontrolle kann eine Hauptursache für die Ineffizienz des Prozesses sein, aber eine unnötige Kontrolle verursacht nur zusätzliche Kosten.

Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass jegliche Feuchtigkeit die Eigenschaften von Pulvern verschlechtert, doch in der Praxis reagieren alle Materialien unterschiedlich. In diesem Artikel werden effiziente Methoden zur Quantifizierung der Auswirkungen von Feuchtigkeit untersucht und anschauliche Daten für Kalkstein und mikrokristalline Zellulose, zwei sehr unterschiedliche industriell wichtige Pulver, vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, wie eine facettenreiche Pulvercharakterisierung einen umfassenden Einblick in die Auswirkungen der Feuchtigkeitsaufnahme gibt und damit eine solide Grundlage für die Entwicklung wirksamer Strategien zur Feuchtigkeitskontrolle bietet.

Werkzeuge für die Pulvercharakterisierung

Ein erster Schritt bei der Beurteilung des Einflusses von Feuchtigkeit auf die Pulververarbeitungsleistung besteht darin, Analysetechniken zu ermitteln, die relevante und geeignete Daten liefern. Es gibt viele verschiedene Pulverprüfmethoden, aber für Studien zur Prozessoptimierung ist es am produktivsten, sich auf die Methoden zu konzentrieren, die empfindliche, reproduzierbare Daten erzeugen können, die zuverlässig mit der Prozessleistung korrelieren.

Die Verfeinerung bestimmter traditioneller Pulverprüftechniken, wie z. B. die Messung von Scher- und Schüttguteigenschaften, durch den Einsatz moderner Instrumente und Methoden hat sie zuverlässiger und reproduzierbarer und damit aussagekräftiger für diese Art von Studien gemacht. In jüngerer Zeit hat die Entwicklung der dynamischen Pulverprüfung jedoch die Möglichkeit mit sich gebracht, eine Reihe von ergänzenden Tests durchzuführen, die detailliertere Informationen über das Pulververhalten liefern.

Bei der dynamischen Charakterisierung werden die Axial- und Rotationskräfte gemessen, die auf eine Schaufel einwirken, während sie eine Probe entlang einer festen spiralförmigen Bahn durchläuft. Die resultierenden Fließenergiewerte sind eine direkte Quantifizierung der Fließfähigkeit des Pulvers. Die hochempfindliche dynamische Charakterisierung hat den entscheidenden Vorteil, dass sie die Messung von Pulvern in verfestigtem, konditioniertem und belüftetem oder sogar fluidisiertem Zustand ermöglicht, so dass der Einfluss von Luft direkt untersucht werden kann.

Die folgende experimentelle Studie zeigt, wie die Messung einer Reihe von Pulvereigenschaften die Entwicklung eines detaillierten Verständnisses der sehr unterschiedlichen Reaktionen von Kalkstein [BCR116, Europäische Kommission] und mikrokristalliner Cellulose (MCC) [PH200, FMC] auf Feuchtigkeit unterstützt.

Vergleich der Auswirkungen von Feuchtigkeit auf MCC und Kalkstein

Die Menge an Feuchtigkeit, die von Pulvern absorbiert und adsorbiert wird, ist sehr unterschiedlich. Für Pulververarbeiter ist jedoch die Art und Weise, wie sich diese Feuchtigkeit auf das Verhalten des Pulvers auswirkt, oft am kritischsten. Bei Tests zum Vergleich der Auswirkungen von Feuchtigkeit auf MCC und Kalkstein wurde festgestellt, dass die Sorptionseigenschaften der beiden Materialien sehr unterschiedlich sind, wobei MCC eine Größenordnung mehr Wasser aufnimmt als Kalkstein, wenn es in einer Umgebung mit kontrollierter relativer Luftfeuchtigkeit ins Gleichgewicht gebracht wird. Wie die anschließenden Tests zeigten, wurde das Verhalten beider Materialien jedoch durch die Einwirkung von Feuchtigkeit erheblich verändert.

Abbildung 1 zeigt eine Reihe von dynamischen und Schüttdaten, die veranschaulichen, wie das Verhalten von Kalkstein und MCC in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit variiert. Diese Daten wurden alle mit einem FT4-Pulverrheometer® (Freeman Technology, Tewkesbury, UK) erfasst, einem hochautomatisierten Pulvertestgerät, das dynamische, Scher- und Bulk-Testmethoden umfasst. [1,2]. Ref. 1 enthält eine vollständige Beschreibung der angewandten Methoden. Insgesamt quantifizieren diese Daten die Auswirkungen der Feuchtigkeit auf eine prozessrelevante Weise. Außerdem unterstützen sie die Entwicklung einer Erklärung für das beobachtete Verhalten.

Mikrokristalline Zellulose

Die beiden Kurven in Abbildung 1, die dynamische Daten für MCC zeigen - für die Basisfließfähigkeitsenergie (BFE) und für die Belüftungsenergie (AE) - sind zwar recht unterschiedlich, ähneln sich aber in Bezug auf eine minimale Fließenergie. Beide Kurven deuten darauf hin, dass Feuchtigkeit die Fließeigenschaften von MCC bis zu einem bestimmten Punkt verbessert, über den hinaus eine Verschlechterung der Fließfähigkeit eintritt.

Während der Studie wurde festgestellt, dass die MCC-Probe die Innenwand des Glasvorratsgefäßes vor der Prüfung beschichtete, was auf eine Tendenz zur elektrostatischen Aufladung hindeutet und Aufschluss darüber gibt, warum das Pulver dieses Verhalten zeigen könnte. Wenn der hohe AKE-Wert für die trockenere Probe auf elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den Partikeln zurückzuführen ist, könnte eine Erhöhung des Feuchtigkeitsgehalts zu einer Verringerung der AKE führen, indem die Probe entladen wird.

Der stetige Anstieg der BAE oberhalb eines bestimmten Feuchtigkeitsgehalts ist ein häufiger zu beobachtendes Muster und lässt sich darauf zurückführen, dass das Material genügend Feuchtigkeit aufnimmt, um aufgrund erhöhter Adhäsions- und Kapillarkräfte zwischen den Partikeln zu agglomerieren. Große Partikel oder Agglomerate können dem bei der BAE-Prüfung angewandten verdichtenden Fließmuster erheblichen Widerstand entgegensetzen und werden daher oft mit hohen BAE-Werten in Verbindung gebracht, verglichen mit feineren, kohäsiveren Pulvern, deren Strukturen mehr Hohlräume enthalten (siehe Abbildung 2).

Bei der Belüftungsprüfung hängt die Fähigkeit der Luft, die Partikel zu trennen und die Strömungsenergie zu verringern, wiederum sowohl von den elektrostatischen Kräften als auch von den mechanischen Haftkräften ab, die zwischen den Partikeln wirken. Hier zeigt sich jedoch, dass die Agglomeration einen stärkeren Einfluss auf das Verhalten hat, was auf die höhere Masse, die größere Größe und die stärkeren Adhäsionskräfte des Agglomerats zurückzuführen ist. Die unterschiedlichen Formen der beiden dynamischen Kurven lassen sich also beide durch die Idee der Entladung der Probe und der anschließenden Agglomeration erklären.

Diese Bildung von Agglomeraten führt zu großen Hohlräumen innerhalb des Pulverbettes, ein Trend, der sich in der stetigen Zunahme der Permeabilität widerspiegelt, die bei der Prüfung der Schüttguteigenschaften beobachtet wurde. Betten mit großen Partikeln und erheblichen Hohlräumen lassen sich zwar nur schwer fluidisieren, bieten aber einen relativ geringen Widerstand gegen die Luftströmung und sind daher mit einer höheren Durchlässigkeit verbunden.

Die Kompressibilität und auch die Schüttdichte (Daten nicht gezeigt) änderten sich dagegen über den untersuchten Feuchtigkeitsgehalt hinweg nur sehr wenig, was darauf hindeutet, dass bei diesem Pulver das Packverhalten kein wichtiger Faktor für die durch die Feuchtigkeit verursachten Veränderungen ist. Dies unterstreicht eine Einschränkung bei der Verwendung von Schüttdichtemessungen, um Informationen über Änderungen im Fließverhalten abzuleiten, da diese beiden Parameter möglicherweise, oder wie in diesem Fall, nicht direkt miteinander korrelieren. Schertestdaten (nicht gezeigt) für dieses Material waren ähnlich unempfindlich gegenüber den Veränderungen, die durch einen steigenden Feuchtigkeitsgehalt hervorgerufen werden, was die Notwendigkeit unterstreicht, optimale Teststrategien für eine bestimmte Untersuchung zu wählen.

Eine letzte wichtige Anmerkung zum MCC ist, dass es diese Veränderungen in der Fließfähigkeit und anderen Parametern über eine Reihe von Bedingungen zeigt, die für die Industrie relevant sind, und zwar im Bereich von 25-50 % relativer Luftfeuchtigkeit, was durchaus Umgebungsbedingungen darstellen könnte. Dies deutet darauf hin, dass MCC bei der Handhabung in einem industriellen Umfeld ohne weiteres variable Fließeigenschaften aufweisen könnte.

Kalkstein

Mit einer Partikelgröße von nur 4 Mikrometern ist die Kalksteinprobe ein viel feineres, kohäsiveres Pulver als das gröbere (180 Mikrometer) MCC. Bei Kalkstein sind die beiden Sätze dynamischer Daten auf den ersten Blick widersprüchlich: ein stetiger Aufwärtstrend bei der Käuferidentität und Schwankungen bei den Belüftungstests. Ein Blick auf die Skala der Durchlässigkeitsgrafik für Kalkstein zeigt jedoch, warum die Belüftungstests zu solchen Daten geführt haben könnten.

Der Kalkstein hat aufgrund seiner feinen Partikelgröße eine sehr geringe Durchlässigkeit. Obwohl sich die Durchlässigkeit mit dem Feuchtigkeitsgehalt zu ändern scheint, sind diese Änderungen in absoluten Zahlen sehr gering, wobei die Durchlässigkeit bei allen Feuchtigkeitsgraden extrem niedrig ist. Dies bedeutet, dass die Kalksteinproben der Belüftung im Wesentlichen widerstehen und dass aufwärts strömende Luft eher zur Oberfläche durchdringt, als dass sie eine gleichmäßige Fluidisierung fördert. Daher hat die Zufuhr von Luft einen begrenzten und variablen Einfluss auf die Strömungsenergie, wobei das Ausmaß und der Einfluss der Kanalisierung je nach Feuchtigkeitsgehalt stark variieren.

Die OFE-Daten zeigen einen stetigen Aufwärtstrend mit dem Feuchtigkeitsgehalt, was darauf hindeutet, dass das Wasser den Kalkstein klebriger macht, als Bindemittel fungiert, flüssige Verbindungen bildet und kleine Agglomerate entstehen lässt. Bei den Daten zur Verdichtbarkeit scheinen selbst geringe Änderungen des Feuchtigkeitsgehalts eine signifikante Auswirkung zu haben, da die Verdichtbarkeit mit dem Feuchtigkeitsgehalt stetig ansteigt - ein Trend, der mit der These der zunehmenden Agglomeration völlig übereinstimmt.

Im Allgemeinen werden kohäsivere Pulver eher mit hohen Kompressibilitätswerten assoziiert. Dies liegt daran, dass die hohen interpartikulären Kräfte zwischen den kohäsiven Teilchen die Bildung loser Agglomerate fördern, die Luft mitreißen und so ein Bett schaffen, das stark komprimiert werden kann. Bei weniger kohäsiven Pulvern hingegen können sich die Teilchen leichter gegeneinander bewegen und neigen dazu, sich eng zusammenzudrängen, was eine weitere Verdichtung des Bettes erschwert. Die Schüttdichte wird in ähnlicher Weise von der Partikelpackung beeinflusst, weshalb eine Erhöhung der Kohäsivität häufig auch mit einer Verringerung der Schüttdichte einhergeht. In diesen Versuchen nahm die Schüttdichte (Daten nicht gezeigt) des Kalksteins tatsächlich mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt ab, ein Ergebnis, das mit einer stetigen Zunahme der im Bett eingeschlossenen Luftmenge und zunehmender Verdichtbarkeit vereinbar ist.

Wie bei der MCC spiegeln auch die für Kalkstein gesammelten Scherdaten (nicht gezeigt) diesen allgemeinen Trend im Fließverhalten wider. Wie bei der MCC konnten jedoch andere Parameter die Auswirkungen der Feuchtigkeit auf die Eigenschaften besser quantifizieren und waren daher in diesem Fall für die Studie besser geeignet.

Schlussfolgerung

Um die Auswirkungen von Feuchtigkeit auf die Prozessleistung genau steuern zu können, ist es von entscheidender Bedeutung, zu quantifizieren und zu verstehen, wie adsorbierte Feuchtigkeit die Pulvereigenschaften beeinflusst. Diese experimentelle Studie über MCC und Kalkstein zeigt, wie die Messung bestimmter dynamischer und volumenbezogener Eigenschaften die notwendigen Informationen liefern kann, und unterstreicht einige wichtige Aspekte für diejenigen, die in Prüfstrategien für Pulver investieren, um dieses Thema zu untersuchen.

Erstens zeigen die Daten, dass die Sorptionseigenschaften eines Materials kein zuverlässiger Indikator für das Ausmaß der damit verbundenen Veränderungen der Pulvereigenschaften sind. Selbst wenn ein Material relativ geringe Mengen an Feuchtigkeit aufnimmt, wie es beim Kalkstein der Fall ist, können sich wichtige Pulvereigenschaften wie Kompressibilität und Permeabilität verändern.

Zweitens zeigen die Ergebnisse die Effektivität eines vielschichtigen Ansatzes zur Pulvercharakterisierung, da die Ergebnisse in ihrer Kombination genau aufzeigen, wie sich die Feuchtigkeit auf das Pulver auswirkt. Und schließlich präsentiert die Studie einige handfeste Daten, die die Vorstellung widerlegen, dass jegliche Feuchtigkeit dem Pulververhalten abträglich ist. So verbesserte sich beispielsweise die Fließfähigkeit von MCC unter bestimmten Bedingungen mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt, was möglicherweise auf die Fähigkeit des Wassers zurückzuführen ist, die angesammelte elektrostatische Ladung abzubauen.

Klar ist, dass kleine Änderungen des Feuchtigkeitsgehalts das Verhalten von Pulvern erheblich beeinflussen können, selbst bei hydrophoben Pulvern, und dass die Auswirkungen weder linear noch vorhersehbar sind. Geeignete Prüfstrategien sind daher unerlässlich, wenn man die Auswirkungen der Feuchtigkeit auf die Pulververarbeitung wirklich verstehen will.

Referenzen

1. Freeman R. "Measuring the flow properties of consolidated, conditioned and aerated powders - A comparative study using a powder rheometer and a rotational shear cell", Powder Technology 174 (2007) 25-33.
2. Storage and flow of solids, Bulletin 123 of the Utah Engineering Experiment Station, November 1964 (Revised 1980), A.W.Jenike, University of Utah.