응집력 있는 행동

응집력은 일반적으로 벌크 분말 유동성에 가장 큰 영향을 미치는 특성 중 하나로 간주되며 분말 처리 문제의 원인으로 지목되는 경우가 많습니다. 응집성 분말에서는 입자가 서로 끌어당겨 덩어리 또는 응집체를 형성하여 막힘과 일관성 없는 공급 및 투여를 유발하여 낭비와 비효율적인 공정으로 이어질 수 있습니다. 응집성 분말은 벌크 밀도에 큰 변동성을 보여 중력 하에서 비효율적으로 또는 느슨하게 포장되기 쉬울 뿐만 아니라 압축 시 높은 압축 강도로 단단한 구조를 형성하여 공급 및 충전 작업과 제조 라인의 일반적인 관리에 문제를 일으킬 수 있습니다.

분말 응집력을 특성화한다는 것은 특정 취급 및 제조 문제 발생 가능성을 정량화하고 분말 제품의 품질에 수치를 부여하는 것을 의미합니다. 응집력이 분말 유동성에 영향을 미치는 정도를 이해하면 각 단계를 직접 모방할 필요 없이 공정에서 재료의 성능을 예측할 수 있으며, 입자 크기, 화학 물질을 수정하거나 표면 처리를 통해 응집력으로 인한 유동 문제를 해결하는 방법을 분말 배합자 또는 취급자에게 알려줄 수 있습니다.

응집력 있는 힘

응집력은 반데르발스, 액체 가교, 정전기 등 입자 사이의 모든 인력의 결합을 일컫는 이름입니다. 그러나 파우더의 응집력 여부는 이러한 인력이 입자에 작용하는 다른 힘과 비교하여 얼마나 관련성이 있는지에 따라 결정됩니다.

따라서 분말 응집력은 응집력의 절대 강도가 아니라 평균 입자 무게와 비교하여 얼마나 강한지에 따라 결정됩니다. 응집력 거동을 다음과 같은 비율로 정량화할 수 있습니다.

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.

입자 크기의 영향

입자 크기 분포(PSD)가 작은 분말이 응집력이 더 강하다는 일반적인 오해가 있지만 반드시 그렇지는 않습니다. 실제로 응집력으로 분류되는 힘의 유형(반데르발스, 액체 브리징 및 정전기)은 일반적으로 입자의 부피보다는 입자 간의 접촉 유형과 면적에 따라 달라지는 표면력입니다.

오히려 입자가 작을수록 질량이 작기 때문에 응집력 있는 인력이 입자를 더 단단히 고정할 수 있습니다. 입자 밀도, 모양 및 표면 특성이 유사한 분말의 경우 평균 입자 무게 W가 작을수록 F _coh/W 비율이 더 큰 값으로 기울어져 응집력이 더 강해집니다.

아래 이미지는 입자 크기는 다르지만 비슷한 크기 분포 범위(PSD 폭/중앙값 크기)를 가진 배치로 분리된 석회석 분말을 보여줍니다. 샘플은 동일한 원료 블록에서 분쇄되고 동일한 환경 조건에서 보관되었으므로 모든 샘플의 구성과 입자 모양 및 표면 특성, 따라서 평균 절대 입자 간 응집력은 유사할 가능성이 높습니다. 그러나 평균 입자 크기(및 무게)가 감소하고 F coh/W 비율이 증가함에 따라 분말의 응집력도 현저하게 증가하는 것을 볼 수 있습니다.

입자 크기가 커질수록 파우더 더미의 표면이 눈에 띄게 매끄러워지고 덩어리가 눈에 띄게 줄어들며, 입자가 중력 하에서 더 효율적으로 배열되면서 부피 밀도가 증가하는 것도 측정했습니다.

모든 샘플이 반 데르 발스, 정전기 및 수분 함량과 관련된 입자 간 표면 힘의 강도가 비슷할 수 있지만, 이러한 응집력이 전체 분말 거동 및 유동 특성과 얼마나 관련성이 있는지, 즉 이들이 수행하는 역할은 매우 다릅니다!

분말 응집력 측정 방법

FT4 파우더 레오미터의 세 가지 측정은 특히 응집력이 강한 거동을 파악하는 데 적합합니다.

높은 조건부 벌크 밀도(CBD)는 최적의 패킹을 달성하기 전에 벌크 형태를 제자리에 고정하는 응집력 거동과 관련이 있습니다. 그런 다음 외부 하중 하에서의 분말 압축성은 압축력이 응집력을 초과할 때 보다 이상적인 패킹을 달성할 수 있음을 보여줍니다. 마지막으로 유동화는 공기가 통과할 수 있도록 입자를 서로 분리하는 것으로, 베드를 유동화하는 데 필요한 공기의 힘은 입자를 서로 붙잡는 응집력을 나타냅니다.

이러한 FT4 측정은 본질적으로 충분히 큰 벌크의 모든 입자 간 상호 작용의 특성을 평균화합니다. 따라서 분말 재료의 응집력은 입자 크기, 모양 또는 표면 특성과 같은 다른 측정값과 독립적으로 특성화할 수 있습니다.

컨디셔닝된 벌크 밀도 및 입자 패킹

응집력이 평균 입자 무게보다 강하면 입자를 제자리에 고정하고 다른 입자 사이의 틈새로 떨어지는 것을 방지할 수 있습니다. 결과적으로 벌크에는 빈 공간이 많이 포함됩니다.

골격 밀도가 비슷하고 입자 크기 분포 범위가 비슷한 분말을 비교할 때 응집력(F _coh/W 값이 높을수록 조건부 벌크 밀도가 낮게 나타납니다. 또한 골격 밀도를 알면(Accupyc 참조) 고체 입자가 차지하는 부피의 비율을 구할 수 있습니다. 고체 부피 비율은 입자 포장 효율을 나타내며 분말의 응집도가 낮을수록 높습니다.

벌크 밀도가 분말 응집도의 유용한 지표가 되려면 정확한 초기 포장 조건에서 평가해야 하는데, 이는 달성하기 어려울 수 있습니다. FT4의 고유한 컨디셔닝 프로토콜은 반복 가능한 느슨한 패킹 상태를 부과하므로, 컨디셔닝된 벌크 밀도에서 관찰되는 차이가 주입 또는 스쿱 작업의 차이가 아닌 입자 간 응집력의 차이로 인한 것임을 보장합니다.

압축성

응집력은 벌크가 최적의 패킹 상태에 도달하기 전에 입자를 제자리에 고정시키는 경향이 있습니다. 외부 하중을 가하면 응집력을 극복하여 보다 최적화된 패킹 상태를 달성할 수 있습니다.

입자 모양(맞물림)과 표면 특성도 입자가 틈새에 들어가는 능력과 입자 사이의 빈 공간 비율에 영향을 줄 수 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 밀도 및 압축성과 같은 부피 특성을 사용하여 샘플 응집력을 평가할 때는 비교 대상 샘플 간의 모양과 표면 특성이 얼마나 다른지 주의 깊게 고려해야 합니다.

폭기 및 유동화

응집력은 이상적이지 않은 패킹 상태의 입자를 잡아주며 입자가 서로 분리되는 능력을 제한할 수도 있습니다. 입자를 서로 분리하는 데 필요한 힘은 파우더 베드를 가로지르는 공기 흐름으로 평가할 수 있습니다. 폭기 제어 장치(ACU)가 장착된 FT4 분말 레오미터는 분말 기둥의 바닥을 통해 정확한 유속으로 공기를 주입하고 분말 층의 압력 강하와 팽창을 측정합니다. 공기가 충분히 빠른 속도로 시료를 통과하면 상향 항력이 입자를 개별적으로 분리하고 부유시켜 완전한 유동화 상태를 달성할 수 있습니다.

분말 유동화는 유체 역학적 힘(공기 항력)과 중력 및 응집력 간의 균형이 맞을 때 발생합니다. 공기 속도가 충분히 빠르면 항력이 평균 입자 무게와 입자를 서로 붙잡는 응집력을 모두 극복할 수 있으며, 이 시점에서 파우더 층이 팽창하여 입자가 공기 흐름에 의해 매달리게 됩니다.

응집력이 매우 큰 경우, 유동화를 달성하려면 공기 저항이 상당히 높아야 합니다. F _coh/W>> 1인 경우 대부분의 입자는 서로 접촉한 상태로 유지되며, 높은 공기 속도는 일부 입자를 분리하고 파우더 베드를 통해 적은 수의 채널을 형성합니다. 이러한 채널은 적용된 공기 흐름을 전환하여 분말이 전혀 유동화되지 않습니다.

따라서 완전하고 균일한 유동화를 달성하는 분말의 능력은 공기 항력(유동화 시 베드 무게와 동일)과 입자 간 힘의 상대적 크기(
F _coh/W)에 따라 달라진다는 것을 알 수 있습니다. 공기의 작용은 입자를 들어 올리고 분리하는 것이므로 마찰 및 기계적 연동과 같은 다른 힘의 영향을 최소화하면서 유동화를 방지하는 것은 순 응집력(인력)입니다.

응집력과 자유로움

응집력은 분말 흐름 거동을 정의하는 힘의 한 그룹일 뿐이라는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 응집력은 입자 분리를 억제하고 중력에 의한 원활한 흐름을 방해합니다. 따라서 응집력이 낮아야 자유 유동 분말이라고 할 수 있지만, 응집력이 없는 재료라도 마찰 및/또는 연동 특성이 중요한 경우 가공 중에 문제가 발생할 수 있습니다.

이는 전단 및 압축 응력의 여러 영역이 포함된 공정에서 분말 거동을 고려할 때 특히 그렇습니다. 이러한 공정 힘의 상대적 크기는 분말 흐름 특성의 상대적 중요도에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어 압출기는 높은 압축력 및 전단력을 수반하는 경향이 있으며, 이 경우 입자 간 마찰이 응집력보다 흐름에 더 큰 영향을 미칩니다. 반면 희박상 공압 컨베이어는 입자가 공기 흐름에서 쉽게 분리되어 부유할 때 바람직한 성능을 달성하며 응집력이 이 흐름을 지배하고 공정 특성을 결정하는 반면 마찰력은 미미한 영향만 미칩니다.

포괄적인 분말 흐름 특성화를 위해서는 다양한 공정 조건에서 입자가 서로를 통과하는 원활한 이동을 방해하는 모든 힘을 완벽하게 이해해야 합니다. FT4 분말 레오미터의 다변량 접근 방식은 다양한 공정 및 환경 조건에 대한 분말의 반응을 직접 조사할 수 있도록 다양한 단위 작업을 시뮬레이션하는 데 이상적인 기기입니다.