Kohäsives Verhalten
Die Kohäsion wird regelmäßig als eine der einflussreichsten Eigenschaften für die Fließfähigkeit von Schüttgütern angesehen und häufig für Probleme bei der Pulververarbeitung verantwortlich gemacht. In einem kohäsiven Pulver ziehen sich die Partikel gegenseitig an und bilden Klumpen oder Agglomerate, die zu Verstopfungen und einer uneinheitlichen Zuführung und Dosierung führen können, was wiederum zu Ausschuss und einer ineffizienten Verarbeitung führt. Kohäsive Pulver können große Schwankungen in ihrer Schüttdichte aufweisen und neigen dazu, sich unter der Schwerkraft ineffizient oder locker zu verpacken. Sie können aber auch dichte Strukturen mit hoher Kompaktheit bilden, wenn sie komprimiert werden, was eine Herausforderung für die Zuführungs- und Abfüllvorgänge und das allgemeine Management in den Produktionslinien darstellt.
Die Charakterisierung der Kohäsivität von Pulvern bedeutet, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens bestimmter Handhabungs- und Herstellungsprobleme zu quantifizieren und der Qualität eines pulverförmigen Produkts eine Zahl zuzuweisen. Das Verständnis des Ausmaßes, in dem Kohäsionskräfte die Fließfähigkeit eines Pulvers beeinflussen, ermöglicht die Vorhersage der Leistung eines Materials in einem Prozess, ohne dass jede Stufe direkt nachgeahmt werden muss, und informiert die Pulverformulierer oder -verarbeiter darüber, wie Fließprobleme aufgrund von Kohäsion angegangen werden können, z. B. durch Veränderung der Partikelgröße, der Chemie oder durch Oberflächenbehandlungen.
Kohäsionskräfte
Als Kohäsion bezeichnet man die Kombination aller Anziehungskräfte zwischen den Teilchen, einschließlich der van-der-Waals-Kräfte, der Flüssigkeitsbrückenbildung und der Elektrostatik. Ob sich ein Pulver kohäsiv verhält, hängt jedoch davon ab, wie groß diese Anziehungskräfte im Vergleich zu den anderen auf die Teilchen wirkenden Kräften sind.
Die Schwerkraft ist eine Kraft, die immer vorhanden ist und zugunsten von Teilchen wirkt, die sich übereinander bewegen, aber Teilchen können nur dann aneinander vorbei und in Lücken fallen, wenn ihr Gewicht größer ist als die Netto-Anziehungskräfte (Kohäsionskräfte), die benachbarte Teilchen zusammenhalten. Wenn die Teilchen eine geringe Masse haben, weil sie klein sind oder aus einem Material mit geringer Dichte bestehen, können die Kohäsionskräfte stark genug sein, um die Teilchen relativ zueinander an ihrem Platz zu halten, so dass sie eine Struktur für eine lose Packung bilden und die Bildung von Klumpen ermöglichen, in denen die Teilchen in einem scheinbar festen Gitter angeordnet sind
Die Kohäsivität des Pulvers wird also nicht nur durch die absolute Stärke der Kohäsionskräfte bestimmt, sondern auch dadurch, wie stark sie im Vergleich zum durchschnittlichen Partikelgewicht sind. Wir können das Kohäsionsverhalten quantifizieren als das Verhältnis
where the larger the ratio F coh/W > 1 implies the powder is more likely to show cohesive behaviour such as loose packing, high bulk density variability and clumping. A ratio F coh/W < 1 suggests that the attractive forces between particles don’t play a significant role in how they move past each other, but it is worth noting that this does not mean the powder is free-flowing: even if a powder is non-cohesive, other forces such as friction and interlocking between particles because of their shape can stop particles from moving smoothly past each other.
Der Einfluss der Partikelgröße
Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass Pulver mit geringer Partikelgrößenverteilung (PSD) stärkere Kohäsionskräfte haben, aber das ist nicht unbedingt der Fall. Tatsächlich handelt es sich bei den als kohäsiv eingestuften Kräften (Van-der-Waals-Kräfte, Flüssigkeitsbrücken und elektrostatische Kräfte) in der Regel um Oberflächenkräfte, die von der Art und Fläche des Kontakts zwischen den Partikeln und nicht vom Partikelvolumen abhängen.
Da kleinere Teilchen eine geringere Masse haben, können kohäsive Anziehungskräfte die Teilchen fester an ihrem Platz halten. Bei Pulvern mit ähnlicher Teilchendichte, Form und Oberflächenbeschaffenheit verschiebt ein geringeres durchschnittliches Teilchengewicht W das Verhältnis Fh/W in Richtung größerer Werte, was einem kohäsiveren Verhalten entspricht.
Die Bilder unten zeigen ein Kalksteinpulver, das in Chargen mit unterschiedlicher Partikelgröße, aber vergleichbarer Größenverteilung (PSD-Breite/Mediangröße) aufgeteilt wurde. Die Proben wurden aus demselben Rohstoffblock gemahlen und unter denselben Umgebungsbedingungen gelagert, so dass die Zusammensetzung, die Partikelform und die Oberflächeneigenschaften - und damit die durchschnittliche absolute Kohäsionskraft zwischen den Partikeln - bei allen Proben ähnlich sein dürften. Mit abnehmender mittlerer Partikelgröße (und Gewicht) und zunehmendem Verhältnis F/h/W nimmt jedoch auch das Kohäsionsverhalten der Pulver deutlich zu.
Mit zunehmender Partikelgröße wird die Oberfläche des Pulverhaufens deutlich glatter, mit sichtbar weniger Klumpen, und wir haben auch gemessen, dass die Schüttdichte zunimmt, da sich die Partikel unter der Schwerkraft effizienter anordnen.
Obwohl wahrscheinlich alle Proben ähnliche Stärken der Oberflächenkräfte zwischen den Partikeln aufweisen, die mit van der Waals, Elektrostatik und dem Feuchtigkeitsgehalt zusammenhängen, ist die Rolle, die sie spielen, d. h. die Bedeutung dieser Kohäsionskräfte für das Gesamtverhalten des Pulvers und die Fließeigenschaften, sehr unterschiedlich!
Wie man die Kohäsivität von Pulver misst
Drei Messungen des FT4 Pulverrheometers sind besonders gut geeignet, um stark kohäsives Verhalten zu erkennen.
Eine hohe konditionierte Schüttdichte (CBD) ist mit einem kohäsiven Verhalten verbunden, das die Schüttgutkonformation festhält, bevor eine optimale Packung erreicht wird. Die Komprimierbarkeit des Pulvers unter äußerer Belastung zeigt dann, dass eine idealere Packung erreicht werden kann, wenn die Druckkräfte die Kohäsionskräfte übersteigen. Die Fluidisierung schließlich ist die Trennung der Partikel voneinander, um den Durchgang von Luft zu ermöglichen; die zur Fluidisierung des Bettes erforderliche Luftkraft ist ein Hinweis auf die Kohäsionskräfte, die die Partikel aneinander halten.
Bei diesen FT4-Messungen werden die Eigenschaften aller Wechselwirkungen zwischen den Partikeln in einem ausreichend großen Volumen gemittelt. Somit kann die Kohäsivität eines pulverförmigen Materials unabhängig von anderen Messungen wie Partikelgröße, Form oder Oberflächeneigenschaften charakterisiert werden.
Konditionierte Schüttdichte und Partikelpackung
Wenn die Kohäsionskräfte stärker sind als das durchschnittliche Gewicht der Teilchen, können sie die Teilchen an ihrem Platz halten und verhindern, dass sie in Lücken zwischen anderen Teilchen fallen. Infolgedessen enthält die Masse einen hohen Anteil an leerem Raum.
Beim Vergleich von Pulvern mit ähnlicher Skelettdichte und ähnlicher Partikelgrößenverteilung zeigt sich eine höhere Kohäsivität (höherer F/W-Wert) in einer niedrigeren konditionierten Schüttdichte. Wenn die Skelettdichte bekannt ist (siehe Accupyc), kann außerdem der Anteil des Schüttvolumens ermittelt werden, der von festen Partikeln eingenommen wird. Der Anteil des Feststoffvolumens gibt die Effizienz der Partikelpackung an und ist umso höher, je geringer die Kohäsivität des Pulvers ist.
Damit die Schüttdichte ein hilfreiches Maß für die Kohäsivität des Pulvers ist, muss sie unter präzisen Ausgangsbedingungen gemessen werden, was schwierig zu erreichen sein kann. Das einzigartige Konditionierungsprotokoll des FT4 erzwingt einen wiederholbaren losen Packungszustand. Dadurch wird sichergestellt, dass beobachtete Unterschiede in der konditionierten Schüttdichte auf Unterschiede in der Kohäsion zwischen den Partikeln zurückzuführen sind und nicht auf Unterschiede beim Gießen oder Schöpfen.
Komprimierbarkeit
Kohäsionskräfte neigen dazu, Partikel in ihrer Position zu fixieren, bevor die Masse einen optimalen Packungszustand erreicht hat. Die Anwendung einer externen Last kann die Kohäsionskräfte überwinden, um einen optimierten Packungszustand zu erreichen.
Die Messung des Volumenunterschieds zwischen dem durch die Schwerkraft gepackten und dem komprimierten Zustand liefert einen Wert für die Komprimierbarkeit des Pulvers. Da kohäsivere Pulver in der Regel einen größeren Anteil an Leerräumen zwischen den Partikeln enthalten, gibt es in der Masse mehr Platz, in den sich die Partikel umordnen können, wenn eine vergleichsweise große äußere Last das Pulver komprimiert.
Es ist erwähnenswert, dass die Partikelform (Verzahnung) und die Oberflächeneigenschaften auch die Fähigkeit der Partikel beeinflussen können, in Lücken zu passen, und somit den Anteil der Leerräume zwischen den Partikeln. Bei der Verwendung von Schüttguteigenschaften wie Dichte und Kompressibilität zur Bewertung der Kohäsivität von Proben müssen wir sorgfältig darauf achten, wie unterschiedlich die Form und die Oberflächeneigenschaften der zu vergleichenden Proben sind.
Belüftung und Fluidisierung
Kohäsionskräfte halten Partikel in nicht idealen Packungszuständen fest und können auch die Fähigkeit der Partikel, sich voneinander zu trennen, einschränken. Die zur Trennung der Partikel voneinander erforderliche Kraft kann durch den Luftstrom über das Pulverbett bewertet werden. Das FT4 Pulverrheometer mit Belüftungssteuerungseinheit (ACU) leitet Luft mit präzisen Durchflussraten durch den Boden einer Pulversäule ein und misst den Druckabfall und die Ausdehnung des Pulverbettes. Wenn die Luft mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit durch die Probe strömt, kann der Aufwärtswiderstand die Partikel einzeln abtrennen und suspendieren, so dass ein Zustand der vollständigen Fluidisierung erreicht wird.
Die Fluidisierung des Pulvers findet statt, wenn ein Gleichgewicht zwischen den fluiddynamischen Kräften (Luftwiderstand) und den Schwerkraft- und Kohäsionskräften besteht. Wenn die Luftgeschwindigkeit hoch genug ist, kann der Luftwiderstand sowohl das durchschnittliche Partikelgewicht als auch die Kohäsionskräfte, die die Partikel zusammenhalten, überwinden, und an diesem Punkt dehnt sich das Pulverbett so aus, dass die Partikel im Luftstrom schweben.
Wenn die Kohäsionskräfte sehr groß sind, muss der Luftwiderstand deutlich höher sein, um eine Fluidisierung zu erreichen. In einigen Fällen, in denen F coh/W>> 1 ist, bleiben die meisten Partikel in Kontakt miteinander; hohe Luftgeschwindigkeiten trennen einige Partikel und bilden eine kleine Anzahl von Kanälen durch das Pulverbett. Diese Kanäle lenken den Luftstrom ab, und das Pulver erreicht überhaupt keine Fluidisierung.
Wir sehen also, dass die Fähigkeit des Pulvers, eine vollständige und gleichmäßige Fluidisierung zu erreichen, von der relativen Größe des Luftwiderstands (der gleich dem Bettgewicht bei der Fluidisierung ist) und den Kräften zwischen den Partikeln abhängt, d. h.
F coh/W. Da die Luft die Partikel anhebt und trennt, sind es die kohäsiven (anziehenden) Kräfte, die die Fluidisierung verhindern, mit minimalem Einfluss anderer Kräfte wie Reibung und mechanische Verriegelung.
Zusammenhängend vs. frei fließend
Es ist wichtig, daran zu denken, dass Kohäsionskräfte nur eine Gruppe von Kräften sind, die das Fließverhalten von Pulver bestimmen. Kohäsionskräfte hemmen die Teilchentrennung und verhindern einen gleichmäßigen, schwerkraftgetriebenen Fluss. Daher ist eine geringe Kohäsivität eine Voraussetzung dafür, dass ein Pulver als frei fließend bezeichnet werden kann. Aber auch Materialien, die nicht kohäsiv sind, können bei der Verarbeitung Probleme bereiten, wenn ihre Reibungs- und/oder Verzahnungseigenschaften erheblich sind.
Dies gilt insbesondere, wenn man das Verhalten des Pulvers in Prozessen betrachtet, die mehrere Regime von Scher- und Druckspannungen umfassen. Das relative Ausmaß dieser Prozesskräfte kann die relative Bedeutung der Pulverfließeigenschaften beeinflussen. Bei Extrudern beispielsweise treten in der Regel hohe Druck- und Scherkräfte auf, bei denen die Reibung zwischen den Partikeln den Fluss stärker beeinflusst als Kohäsionskräfte. Im Gegensatz dazu erreichen pneumatische Magerphasenförderer die gewünschte Leistung, wenn die Partikel leicht getrennt und in einem Luftstrom suspendiert werden; kohäsive Eigenschaften dominieren diesen Fluss und bestimmen die Prozesseigenschaften, während Reibungskräfte nur einen geringen Einfluss ausüben.
Eine umfassende Charakterisierung des Pulverflusses erfordert ein vollständiges Verständnis aller Kräfte, die eine reibungslose Bewegung der Partikel aneinander vorbei unter einer Reihe von Verarbeitungsbedingungen verhindern. Der multivariate Ansatz des FT4 Pulverrheometers macht es zum idealen Instrument für die Simulation einer Reihe von Arbeitsschritten und ermöglicht die direkte Untersuchung der Reaktion eines Pulvers auf verschiedene Prozess- und Umgebungsbedingungen.
