Comportement cohésif

La cohésion est régulièrement considérée comme l'une des propriétés les plus influentes sur la fluidité des poudres en vrac et est souvent tenue pour responsable des problèmes de traitement des poudres. Dans une poudre cohésive, les particules s'attirent les unes les autres pour former des amas ou des agglomérats qui peuvent provoquer des blocages et une alimentation et un dosage incohérents, entraînant des pertes et un traitement inefficace. Les poudres cohésives peuvent présenter une grande variabilité dans leur densité apparente, étant susceptibles de se tasser de manière inefficace ou lâche sous l'effet de la gravité, mais elles peuvent également former des structures serrées présentant une grande résistance à la compression, ce qui pose des problèmes pour les opérations d'alimentation et de remplissage, ainsi que pour leur gestion générale dans les chaînes de fabrication.

Caractériser la cohésivité des poudres signifie quantifier la probabilité de rencontrer certains problèmes de manipulation et de fabrication, et attribuer un chiffre à la qualité d'un produit en poudre. Comprendre dans quelle mesure les forces de cohésion affectent la fluidité de la poudre permet de prédire les performances d'un matériau dans un processus sans qu'il soit nécessaire d'imiter directement chaque étape, et informe les formulateurs ou les manipulateurs de poudres sur la manière de résoudre les problèmes de fluidité dus à la cohésion, par exemple en modifiant la taille des particules, la chimie ou par des traitements de surface.

Forces de cohésion

La cohésion est le nom donné à la combinaison de toutes les forces d'attraction entre les particules, y compris la force de van der Waals, le pontage liquide et l'électrostatique. Toutefois, le comportement cohésif d'une poudre dépend de l'importance de ces forces d'attraction par rapport aux autres forces agissant sur les particules.

La cohésion de la poudre n'est donc pas déterminée uniquement par l'intensité absolue des forces de cohésion, mais par leur importance par rapport au poids moyen des particules. Nous pouvons quantifier le comportement cohésif comme le rapport

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.

L'influence de la taille des particules

On pense souvent à tort que les poudres dont la distribution granulométrique est faible ont des forces de cohésion plus importantes, mais ce n'est pas nécessairement le cas. En fait, les types de forces classées comme cohésives (van der Waals, pontage liquide et électrostatique) sont généralement des forces de surface qui dépendent du type et de la zone de contact entre les particules, plutôt que du volume des particules.

Au contraire, comme les particules plus petites ont une masse plus faible, les forces attractives cohésives peuvent maintenir les particules en place plus fermement. Pour des poudres de densité, de forme et de propriétés de surface similaires, une masse moyenne de particules W plus faible fait pencher le rapport F _coh/W vers des valeurs plus élevées, ce qui correspond à un comportement plus cohésif.

Les images ci-dessous montrent une poudre de calcaire séparée en lots de taille de particules différente mais de distribution de taille comparable (largeur de la distribution de taille/taille médiane). Les échantillons ont été broyés à partir du même bloc de matière première et stockés dans les mêmes conditions environnementales, de sorte que leur composition, la forme des particules et les propriétés de surface - et donc la force de cohésion interparticulaire absolue moyenne - sont susceptibles d'être similaires pour tous les échantillons. Toutefois, à mesure que la taille moyenne des particules (et leur poids) diminue et que le rapport F coh/W augmente, nous constatons également une nette augmentation du comportement cohésif des poudres.

Lorsque la taille des particules est plus importante, la surface des tas de poudre devient nettement plus lisse, avec visiblement moins d'amas, et nous avons également mesuré que la densité apparente augmentait car les particules s'agencent plus efficacement sous l'effet de la gravité.

Même s'il est probable que tous les échantillons présentent des forces de surface interparticulaires similaires liées à van der Waals, à l'électrostatique et à la teneur en eau, le rôle qu'elles jouent, c'est-à-dire l'importance de ces forces de cohésion pour le comportement global de la poudre et les propriétés d'écoulement, est très différent !

Comment mesurer la cohésivité des poudres

Trois mesures du rhéomètre à poudre FT4 sont particulièrement bien adaptées pour identifier un comportement fortement cohésif.

Une densité apparente conditionnée (CBD) élevée est associée à un comportement cohésif qui bloque la conformation apparente en place avant d'atteindre un conditionnement optimal. La compressibilité de la poudre sous une charge externe démontre alors qu'un tassement plus idéal est possible lorsque les forces de compression dépassent les forces de cohésion. Enfin, la fluidisation est la séparation des particules les unes des autres pour permettre le passage de l'air ; la force de l'air nécessaire pour fluidiser le lit est une indication des forces de cohésion qui retiennent les particules les unes aux autres.

Ces mesures FT4 font intrinsèquement la moyenne des propriétés de toutes les interactions interparticulaires dans une masse suffisamment importante. Ainsi, la cohésion d'un matériau en poudre peut être caractérisée indépendamment d'autres mesures telles que la taille, la forme ou les propriétés de surface des particules.

Densité apparente conditionnée et conditionnement des particules

Lorsque les forces de cohésion sont plus fortes que le poids moyen des particules, elles peuvent maintenir les particules en place et les empêcher de tomber dans les espaces entre d'autres particules. Par conséquent, la masse contiendra une grande proportion d'espace vide.

Lorsque l'on compare des poudres ayant une densité squelettique similaire et une distribution granulométrique similaire, une plus grande cohésion (valeur F _coh/W plus élevée) se manifeste par une densité apparente conditionnée plus faible. En outre, si la densité du squelette est connue (voir Accupyc), la fraction du volume apparent occupée par les particules solides peut être déterminée. La fraction du volume solide indique l'efficacité du tassement des particules et est d'autant plus élevée que la cohésion de la poudre est faible.

Pour que la densité apparente soit une mesure utile de la cohésion des poudres, elle doit être évaluée dans des conditions d'emballage initiales précises, ce qui peut être difficile à réaliser. Le protocole de conditionnement unique du FT4 impose un état de tassement lâche répétable, ce qui garantit que les différences observées dans la densité apparente conditionnée sont dues à des différences dans la cohésion interparticulaire, et non à des différences dans les actions de versement ou d'écopage.

Compressibilité

Les forces de cohésion ont tendance à bloquer les particules dans leur position avant que la masse n'atteigne un état d'empaquetage optimal. L'application d'une charge externe peut permettre de surmonter les forces de cohésion et d'atteindre un état d'empaquetage plus optimal.

Il convient de noter que la forme des particules (imbrication) et les propriétés de surface peuvent également affecter la capacité des particules à s'insérer dans les interstices, et donc la proportion d'espaces vides entre les particules. Lorsque l'on utilise des propriétés globales telles que la densité et la compressibilité pour évaluer la cohésion d'un échantillon, il faut veiller à prendre en compte les différences de forme et de surface entre les échantillons comparés.

Aération et fluidification

Les forces de cohésion arrêtent les particules dans des états d'emballage non idéaux et peuvent également limiter la capacité des particules à se séparer les unes des autres. La force nécessaire pour séparer les particules les unes des autres peut être évaluée par le flux d'air à travers le lit de poudre. Le rhéomètre pour poudres FT4 avec unité de contrôle de l'aération (ACU) introduit de l'air à des débits précis à travers la base d'une colonne de poudre et mesure la chute de pression et la dilatation du lit de poudre. Lorsque l'air traverse l'échantillon à une vitesse suffisamment élevée, la traînée ascendante peut séparer et suspendre les particules individuellement pour atteindre un état de fluidisation complète.

La fluidisation de la poudre se produit lorsqu'il y a un équilibre entre les forces dynamiques des fluides (traînée de l'air) et les forces gravitationnelles et cohésives. Lorsque la vitesse de l'air est suffisamment élevée, la traînée peut surmonter à la fois le poids moyen des particules et les forces de cohésion qui retiennent les particules les unes aux autres ; à ce moment-là, le lit de poudre se dilate de telle sorte que les particules sont suspendues par le flux d'air.

Si les forces de cohésion sont très importantes, la résistance de l'air doit être considérablement plus élevée pour obtenir une fluidisation. Dans certains cas, lorsque F _coh/W>> 1, la plupart des particules restent en contact les unes avec les autres ; des vitesses d'air élevées séparent certaines particules et forment un petit nombre de canaux à travers le lit de poudre. Ces canaux détournent le flux d'air appliqué et la poudre ne parvient pas du tout à se fluidiser.

Nous voyons donc que la capacité de la poudre à atteindre une fluidisation complète et uniforme dépend des magnitudes relatives de la résistance de l'air (qui est égale au poids du lit au moment de la fluidisation) et des forces interparticulaires, c'est-à-dire
F _coh/W. L'action de l'air étant de soulever et de séparer les particules, ce sont les forces cohésives (attractives) nettes qui empêchent la fluidisation, l'influence d'autres forces telles que le frottement et l'imbrication mécanique étant minime

Cohésion ou fluidité

Il est important de se rappeler que les forces de cohésion ne sont qu'un groupe de forces qui définissent le comportement de l'écoulement des poudres. Les forces de cohésion empêchent la séparation des particules et empêchent les écoulements fluides par gravité. Par conséquent, une faible cohésivité est une condition pour qu'une poudre puisse être qualifiée de fluide, mais même les matériaux non cohésifs peuvent présenter des problèmes au cours de la transformation si leurs propriétés de friction et/ou d'imbrication sont importantes.

Cela est particulièrement vrai lorsque l'on considère le comportement de la poudre dans des processus qui comprennent plusieurs régimes de contraintes de cisaillement et de compression. L'ampleur relative de ces forces peut influencer l'importance relative des caractéristiques de l'écoulement de la poudre. Par exemple, les extrudeuses ont tendance à impliquer des forces de compression et de cisaillement élevées, pour lesquelles le frottement interparticulaire affectera plus significativement l'écoulement que les forces cohésives. En revanche, les transporteurs pneumatiques en phase pauvre atteignent des performances souhaitables lorsque les particules sont facilement séparées et suspendues dans un flux d'air ; les propriétés de cohésion dominent cet écoulement et déterminent les caractéristiques du processus, tandis que les forces de frottement n'exercent qu'une influence mineure.

La caractérisation complète de l'écoulement des poudres exige une compréhension totale de toutes les forces qui empêchent le mouvement régulier des particules les unes par rapport aux autres dans une série de conditions de traitement. L'approche multivariée du rhéomètre pour poudres FT4 en fait l'instrument idéal pour simuler une série d'opérations unitaires, ce qui permet d'étudier directement la réponse d'une poudre à diverses conditions de traitement et d'environnement.