Método: 
  • Flujo de polvo

¿Qué es la cohesión?

Comportamiento cohesivo

La cohesión suele considerarse una de las propiedades que más influyen en la fluidez del polvo a granel y a menudo se le achacan problemas de procesamiento del polvo. En un polvo cohesivo, las partículas se atraen entre sí formando grumos o aglomerados que pueden causar bloqueos y una alimentación y dosificación incoherentes, lo que provoca desperdicios y un procesamiento ineficaz. Los polvos cohesivos pueden mostrar una gran variabilidad en su densidad aparente, siendo propensos a empaquetarse de forma ineficaz o suelta por efecto de la gravedad, pero también pueden formar estructuras apretadas con una gran resistencia compacta cuando se comprimen, lo que plantea problemas en las operaciones de alimentación y llenado y en su gestión general en las líneas de fabricación.

Caracterizar la cohesividad del polvo significa cuantificar la probabilidad de encontrar determinados problemas de manipulación y fabricación, y asignar un número a la calidad de un producto en polvo. Comprender hasta qué punto las fuerzas de cohesión afectan a la fluidez del polvo permite predecir el comportamiento de un material en un proceso sin necesidad de imitar directamente cada etapa, e informa a los formuladores o manipuladores de polvo sobre cómo abordar los problemas de fluidez debidos a la cohesión, por ejemplo modificando el tamaño de las partículas, la química o mediante tratamientos superficiales.

Fuerzas de cohesión

Cohesión es el nombre que se da a la combinación de todas las fuerzas de atracción entre partículas, incluidas las de van der Waals, puente líquido y electrostática. Sin embargo, que un polvo se comporte de forma cohesiva viene determinado por la relevancia de estas fuerzas de atracción en comparación con las demás fuerzas que actúan sobre las partículas.

La gravedad es una fuerza que siempre está presente y que actúa a favor del desplazamiento de las partículas unas sobre otras, pero éstas sólo podrán pasar unas junto a otras y caer en los huecos si su peso es mayor que las fuerzas de atracción netas (cohesivas) que mantienen unidas a las partículas vecinas. Si las partículas tienen poca masa, porque son pequeñas o están hechas de un material de baja densidad, las fuerzas de cohesión pueden ser lo bastante fuertes como para mantenerlas en su sitio unas respecto a otras, proporcionando una estructura para el empaquetamiento suelto y permitiendo la formación de aglomeraciones en las que las partículas se disponen en un entramado aparentemente sólido.

Así pues, la cohesividad del polvo no viene determinada únicamente por la fuerza absoluta de las fuerzas cohesivas, sino por su intensidad en comparación con el peso medio de las partículas. Podemos cuantificar el comportamiento cohesivo como la relación

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.

La influencia del tamaño de las partículas

Existe la idea errónea de que los polvos con una distribución de tamaño de partícula (PSD) pequeña tienen fuerzas cohesivas más fuertes, pero no es necesariamente así. De hecho, los tipos de fuerzas clasificadas como cohesivas (van der Waals, puente líquido y electrostática) son típicamente fuerzas superficiales que dependen del tipo y el área de contacto entre partículas, más que del volumen de la partícula.

Más bien, debido a que las partículas más pequeñas tienen una masa menor, las fuerzas cohesivas de atracción pueden mantener las partículas en su lugar con mayor firmeza. Para polvos de densidad de partículas, forma y propiedades superficiales similares, un peso medio de partículas W más pequeño inclina la relación F coh/W hacia valores más grandes, lo que corresponde a un comportamiento más cohesivo.

Las imágenes siguientes muestran un polvo de piedra caliza separado en lotes de diferente tamaño de partícula pero con una amplitud de distribución de tamaños comparable (anchura PSD/tamaño mediano). Las muestras se molieron a partir del mismo bloque de materia prima y se almacenaron en las mismas condiciones ambientales, por lo que es probable que su composición y las propiedades de forma y superficie de las partículas -y, por tanto, la fuerza de cohesión absoluta media entre partículas- sean similares para todas las muestras. Sin embargo, a medida que disminuye el tamaño medio de las partículas (y su peso) y aumenta la relación F coh/W, también se observa un marcado aumento del comportamiento cohesivo de los polvos.

Al aumentar el tamaño de las partículas, la superficie de los montones de polvo se vuelve notablemente más lisa, con visiblemente menos grumos, y también medimos el aumento de la densidad aparente a medida que las partículas se ordenan más eficientemente bajo la gravedad.

Aunque es probable que todas las muestras tengan fuerzas superficiales interparticulares similares relacionadas con van der Waals, la electrostática y el contenido de humedad, el papel que desempeñan, es decir, la importancia de estas fuerzas cohesivas para el comportamiento general del polvo y las propiedades de flujo, es muy diferente.

Cómo medir la cohesividad del polvo

Tres mediciones del reómetro de polvos FT4 son especialmente adecuadas para identificar comportamientos fuertemente cohesivos.

Una densidad aparente condicionada (CBD) elevada se asocia a un comportamiento cohesivo que bloquea la conformación aparente antes de lograr un empaquetamiento óptimo. La compresibilidad del polvo bajo una carga externa demuestra entonces que se puede lograr un empaquetamiento más ideal cuando las fuerzas de compresión superan a las fuerzas de cohesión. Por último, la fluidización es la separación de las partículas entre sí para permitir el paso del aire; la fuerza del aire necesaria para fluidizar el lecho es una indicación de las fuerzas cohesivas que sujetan las partículas entre sí.

Estas mediciones FT4 promedian intrínsecamente las propiedades de todas las interacciones entre partículas en una masa suficientemente grande. De este modo, la cohesividad de un material en polvo puede caracterizarse independientemente de otras mediciones, como el tamaño, la forma o las propiedades superficiales de las partículas.

Densidad aparente condicionada y empaquetamiento de partículas

Cuando las fuerzas de cohesión son más fuertes que el peso medio de las partículas, pueden mantenerlas en su sitio e impedir que caigan en los huecos entre otras partículas. Como resultado, la masa contendrá una elevada proporción de espacio vacío.

Cuando se comparan polvos con una densidad esquelética similar y un intervalo de distribución granulométrica similar, una mayor cohesividad (mayor valor F coh/W) se manifiesta como una menor densidad aparente condicionada. Además, si se conoce la densidad esquelética (véase Accupyc), se puede hallar la fracción del volumen a granel ocupada por partículas sólidas. La fracción de volumen sólido indica la eficiencia de empaquetamiento de las partículas y es mayor cuanto menor es la cohesividad del polvo.

Para que la densidad aparente sea una medida útil de la cohesividad del polvo, debe evaluarse en condiciones iniciales de empaquetamiento precisas, lo que puede ser difícil de conseguir. El exclusivo protocolo de acondicionamiento del FT4 impone un estado de empaquetado suelto repetible, lo que garantiza que las diferencias observadas en la densidad aparente acondicionada se deban a diferencias en la cohesión entre partículas y no a diferencias en las acciones de vertido o recogida.

Compresibilidad

Las fuerzas cohesivas tienden a bloquear las partículas en su posición antes de que la masa alcance un estado de empaquetamiento óptimo. La aplicación de una carga externa puede vencer las fuerzas de cohesión para lograr un estado de empaquetamiento más optimizado.

La medición de la diferencia de volumen entre los estados de empaquetado gravitacional y comprimido proporciona un valor para la compresibilidad del polvo. Como los polvos más cohesivos tienden a contener una mayor proporción de espacios vacíos entre las partículas, la masa contiene más espacio para que las partículas se reorganicen cuando una carga externa comparativamente grande comprime el polvo.

Cabe señalar que la forma de las partículas (entrelazamiento) y las propiedades de la superficie también pueden afectar a la capacidad de las partículas para encajar en los huecos y, por tanto, a la proporción de espacios vacíos entre partículas. Cuando se utilizan propiedades a granel como la densidad y la compresibilidad para evaluar la cohesividad de las muestras, debemos tener cuidado de considerar lo diferentes que son la forma y las propiedades superficiales entre las muestras que se comparan.

Aireación y fluidización

Las fuerzas de cohesión detienen las partículas en estados de empaquetamiento no ideales y también pueden restringir la capacidad de las partículas para separarse unas de otras. La fuerza necesaria para separar las partículas entre sí puede evaluarse mediante el flujo de aire a través del lecho de polvo. El reómetro de polvo FT4 con unidad de control de aireación (ACU) introduce aire a caudales precisos a través de la base de una columna de polvo y mide la caída de presión y la dilatación del lecho de polvo. Cuando el aire fluye a través de la muestra a una velocidad suficientemente alta, el arrastre ascendente puede separar y suspender las partículas individualmente para alcanzar un estado de fluidización completa.

La fluidización del polvo se produce cuando existe un equilibrio entre las fuerzas fluidodinámicas (arrastre del aire) y las fuerzas gravitatorias y cohesivas. Cuando la velocidad del aire es lo suficientemente alta, la resistencia puede superar tanto el peso medio de las partículas como las fuerzas de cohesión que las mantienen unidas, y en ese momento el lecho de polvo se expande de forma que las partículas quedan suspendidas por la corriente de aire.

Si las fuerzas de cohesión son muy grandes, la resistencia del aire debe ser significativamente mayor para lograr la fluidización. En algunos casos, cuando F coh/W>> 1, la mayoría de las partículas permanecen en contacto unas con otras; las altas velocidades del aire separan algunas partículas y forman un pequeño número de canales a través del lecho de polvo. Estos canales desvían el flujo de aire aplicado y el polvo no consigue fluidizarse en absoluto.

Vemos, pues, que la capacidad del polvo para lograr una fluidización completa y uniforme depende de las magnitudes relativas del arrastre del aire (que es igual al peso del lecho en el momento de la fluidización) y de las fuerzas entre partículas, es decir
F coh/W. Dado que la acción del aire consiste en levantar y separar las partículas, son las fuerzas netas de cohesión (atractivas) las que impiden la fluidización, con una influencia mínima de otras fuerzas como la fricción y el entrelazamiento mecánico

Cohesivo frente a fluido

Es importante recordar que las fuerzas cohesivas son sólo un grupo de fuerzas que definen el comportamiento del flujo de polvo. Las fuerzas cohesivas inhiben la separación de las partículas e impiden los flujos suaves impulsados por la gravedad. Por lo tanto, una baja cohesividad es un requisito para que un polvo se denomine de flujo libre, pero incluso los materiales que no son cohesivos pueden mostrar problemas durante el procesamiento si sus propiedades de fricción y/o entrelazamiento son significativas.

Esto es especialmente cierto cuando se considera el comportamiento del polvo en procesos que incluyen múltiples regímenes de tensión de cizallamiento y compresión. La magnitud relativa de estas fuerzas de proceso puede influir en la importancia relativa de las características de flujo del polvo. Por ejemplo, las extrusoras tienden a implicar elevadas fuerzas de compresión y cizallamiento, para las que la fricción entre partículas afectará más significativamente al flujo que las fuerzas de cohesión. Por el contrario, los transportadores neumáticos de fase pobre alcanzan un rendimiento deseable cuando las partículas se separan fácilmente y se suspenden en una corriente de aire; las propiedades cohesivas dominan este flujo y determinarán las características del proceso, mientras que las fuerzas de fricción ejercerán sólo una influencia menor.

La caracterización exhaustiva del flujo de polvos requiere una comprensión completa de todas las fuerzas que impiden el movimiento suave de las partículas entre sí en una serie de condiciones de procesamiento. El enfoque multivariante del reómetro de polvo FT4 lo convierte en el instrumento ideal para simular una serie de operaciones unitarias, lo que permite investigar directamente la respuesta de un polvo a diversas condiciones ambientales y de proceso.