Für eine optimale Verarbeitung von Pulvern sind gute Fließeigenschaften wünschenswert.

In diesem Artikel wird auf folgende Themen eingegangen:

  • Die Faktoren, die zu guten Fließeigenschaften beitragen
  • Messgrößen für Fließeigenschaften
  • Verschiedene Arten von Strömungen

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Die sechs Faktoren, die zu guten Fließeigenschaften beitragen

Für eine optimale Verarbeitung von Pulvern sind gute Fließeigenschaften wünschenswert. Je besser das Pulver beispielsweise in und aus einem Trichter fließt, desto schneller und einfacher ist die Verarbeitung. Gute Fließeigenschaften hängen zu einem großen Teil von der Reibung zwischen den Pulverpartikeln ab. Diese entsteht durch (statische) Ladungen an der Oberfläche der Pulverpartikel sowie durch deren Sphärizität. Eine minimale Kohäsion zwischen den Pulverpartikeln führt zu maximalen Fließeigenschaften.

Die Fließeigenschaften einer Anlage lassen sich auf sechs verschiedene Aspekte zurückführen:

  • Die Fließeigenschaften des Pulvers
  • Schwerkraft
  • Kompression von Pulvern in der Anlage
  • Vibrationen in der Anlage
  • Aerodynamik in der Anlage
  • Mechanische Eigenschaften der Anlage

Durch die Fokussierung auf eine Kombination dieser sechs Aspekte können schlechte Fließeigenschaften verbessert werden. Darüber hinaus führen Anpassungen der Pulvereigenschaften wie Form und Größe zu Unterschieden in den Fließeigenschaften eines Pulvers. Fließeigenschaften ändern sich auch durch die Zugabe anderer Pulver. Durch die Zugabe feiner Pulver kann die Oberfläche der Pulverpartikel bedeckt werden, wodurch die Reibung erheblich verringert wird und die Fließeigenschaften des Pulvers verbessert werden.

Maße für Fließeigenschaften

Wie bereits erwähnt, werden die Fließeigenschaften eines Pulvers auch durch die Kompression beeinflusst. In der folgenden Grafik wird dargestellt, wie sich ein Pulver bei Kompression verhalten kann. Auf der x-Achse ist die konsolidierende Spannung dargestellt, die benötigt wird, um das Pulver zu komprimieren, auch als "Major Principal Consolidation Stress" bekannt. Der y-Wert ist die Festigkeit des Pulvers, allgemein bekannt als "Unconfined Failure Strength". Das Verhältnis dieser beiden Werte ist ein Maß für die Fließeigenschaften, das als ff (Flow Function) bezeichnet wird. Dies ergibt die folgende Formel:

$ff\ =\frac{Major\ principal\ consoledating\ stress}{Unconfined\ failutre\ strenght\ } $

 

ff<1Nicht fließend
ff>1>2Sehr zusammenhängend
ff>2<4zusammenhängend
ff>4>10Leicht fließend
ff>10
Frei fließend

Eine weitere wichtige Größe für die Strömeigenschaften ist das Hausner-Verhältnis. Das Hausner-Verhältnis kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

$Hausner\ ratio\ =\frac{Tap\ density}{Stortgewicht\ } \left(dimensieloos\right)$

Das Hausner-Verhältnis gibt einen Index für die Strömeigenschaften des Pulvers an.

In der untenstehenden Tabelle ist dargestellt, wie die Strömeigenschaften in Bezug zum Hausner-Verhältnis stehen.

Das Hausner-VerhältnisFließeigenschaften
1.00 - 1.11Ausgezeichnet
1.12 - 1.18Gut
1.19 - 1.25Ziemlich
1.26 - 1.34Akzeptabel
1.35 - 1.45Schlecht
1.46 - 1.59Sehr schlecht
>1.60Außerordentlich schlecht

Das Prinzip hinter dem Tap-Density-Tester ist das Hausner-Verhältnis. Dabei wird davon ausgegangen, dass stark kohäsive Pulver auch starke gegenseitige Anziehungskräfte besitzen. Diese helfen, die Schwerkraft zu überwinden, sodass die Partikel sich selbst in leeren Räumen stützen können

Die zwei Arten von Strömungen

Innerhalb des Begriffs Strömeigenschaften wird zwischen zwei Begriffen unterschieden: interne Reibung und Kohäsion. Unter interner Reibung versteht man die Reibung, die zwischen zwei Pulverteilchen bei normalem Druck auftritt. Wenn zu einem bestimmten Zeitpunkt kein Druck vorhanden ist, gibt es immer noch eine bestimmte Anziehungskraft zwischen den Pulverteilchen, die der Strömung Widerstand leistet. Dies ist die Kohäsion. In der Industrie für trockene Pulver wird diese Kraft als Van-der-Waals-Kraft bezeichnet. Dies ist eine elektrische und magnetische Kraft, die auf molekularer Ebene durch Polarisation entsteht und zu positiven oder negativen Anziehungskräften zwischen den Atomen an der Oberfläche der Pulverteilchen führt. Je kleiner das Teilchen ist, desto größer ist die Kontaktfläche pro Masseeinheit und desto größer ist die Van-der-Waals-Anziehungskraft.

Neben der Größe der Pulverteilchen ist die Anwesenheit von Flüssigkeiten ein weiterer Faktor, der die Kohäsion beeinflusst. Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl vergrößern die Kontaktfläche zwischen den Teilchen, wodurch Flüssigkeitsbrücken zwischen den Teilen gebildet werden und eine kapillare Kraft die Partikel letztendlich miteinander verbindet. Die Van-der-Waals-Kraft nimmt durch das Vorhandensein von Flüssigkeit ab.

Pulver mit guten Strömeigenschaften fließen aufgrund der Schwerkraft aus einem Silo. Der erste Schritt bei der Gestaltung von Silos ist daher immer, mit Hilfe eines Powder-Flow-Testers die Strömeigenschaften des Pulvers zu bestimmen. Dabei wird das oben genannte ff bestimmt. Mit dem Powder-Flow-Tester kann analysiert werden, wie die Kräfte zwischen den Pulverteilchen untereinander und die Pulverteilchen mit der Wand sich bei zunehmendem Druck verändern. Oben in einem Silo wird nämlich weniger Druck auf ein Teilchen ausgeübt als unten im Silo.

Um ein gutes Design für ein Silo zu erstellen, ist es daher wichtig, die Strömeigenschaften der Pulver zu kennen.

Stroomeigenschappen van poeders_Van Der Waals krachten bij water.jpg

Van-der-Waals-Kräfte bei Wasser