Schüttgüter sind schwierig zu beschreiben. Zur Charakterisierung von Schüttgütern zählen beispielsweise Attribute wie Partikelform, Partikelgrößenverteilung, Feuchtigkeit und Schüttdichte. Besonders wichtig sind aber auch die Staubigkeit und das Fließverhalten.
Fließhilfsmittel, Rieselhilfe, Anticaking Aid im Pulver mischend verteilen
Beispielweise sollen kleine Mengen eines Farbpigments ausreichen, um mehrere Tonnen Fassadenputz homogen einzufärben. Kleine Mengen einer Gewürzmischung sollen ausreichen, um den Fleischgeschmack veganer Frikadellen zu erzeugen.
Neben der Wirksamkeit eines Pulvers/ Pulvergemisches sind aber auch sekundäre Eigenschaften wichtig. Beispielweise dann, wenn die Pulver industriell verarbeitet werden. Wenn Instantgetränkemischungen wie Cappuccino oder Eistee in Sachet abgefüllt werden. Wenn Tee in Portionsbeutel abgefüllt wird, dann findet der Füllvorgang mit hoher Geschwindigkeit statt. Das Pulvergemisch muss gleichbleibend fließfähig und dosierbar sein. Darüber hinaus muss das Gemisch so staubfrei wie möglich sein, anderenfalls würde die Versieglung der Sachets nicht gelingen.
Pulver können staubarm gemacht werden, wenn sie zu stabilen Agglomeraten vergrößert werde. Dann fließen sie in der Regel auch besser. Pulver können auch staubarm gemacht werden, wenn sie befeuchtet werden. Sie fließen aber umso schlechter, je feuchter sie sind. Oft sind flüssige Anteile in einem Mischgut zu verteilen. Dann soll jede Partikel mit einem proportionalen Anteil der Flüssigkeit benetzt sein. Auch das verschlechtert in der Regel das Fließverhalten des Pulvers. Die Flüssigphase begünstigt das Anhaften der Partikel. Ungewollt können Verklumpungen entstehen.
Die Form des Schüttkegels gibt erste Hinweise
Es gibt viele Methoden, um die Fließfähigkeit von Pulvern zu bestimmen. Eine besonders einfache Methode kann für eine erste Abschätzung verwendet werden. Man bestimmt die Schüttkegelhöhe. Das Pulver rieselt durch ein Sieb auf einen Metallzylinder und bildet einen Schüttkegel. Der Schüttkegel erhöht sich, bis die Schwerkraft größer ist als die Kohäsionskräfte. Dann rutschen die Partikel aneinander ab. Die Steilheit des Schüttkegels ist ein Maß für die Kohäsion des Pulvers. Ein flacher Schüttkegel zeugt von guter Fließfähigkeit des Pulvers.
Das Jenike-Scherverfahren ist eine professionelle Methode zur Messung von Fließeigenschaften, wenn sich Pulver in mehraxigen Spannungszuständen befinden (Silotechnik).
Ein simpler Indikator für das Fließverhalten ist der Böschungswinkel: a) schlechteres Fließverhalten, b) besseres Fließverhalten
Bindemechanismen innerhalb von Partikelkollektiven
Wenn wir ein Partikelkollektiv betrachten, dann wirkt zunächst die Gravitation auf jede einzelne Partikel. In den unteren Schichten subsummieren sich diese Verdichtungskräfte je nach der Höhe des Haufwerkes. Zugleich entwickeln die Partikel untereinander Adhäsionskräfte. Das sind van-der-Waals-Kräfte und elektrostatische Wechselwirkungen. Diese interpartikulären Kräfte dominieren gegenüber der Scherkraft, wenn die Partikel sehr klein werden. Auch die Anwesenheit von Feuchtigkeit vergrößert die die Wirkung der interpartikulären Kräfte.
Ein Partikelkollektiv wird gemischt und benetzt. Die Flüssigkeitsmenge nimmt zu von 1 bis 4
Größe der Partikel und Staubanteile
Je mehr Partikel miteinander in Berührung sind, desto größer sind die Interpartikulären Kräfte. Die Haftkräfte nehmen immer mehr zu, je feindisperser ein Schüttgut vorliegt. Dieser Zusammenhang ist signifikant. Denn die Anzahl der Partikelkontakte ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Partikelgröße.
Wenn die Umgebungsluft eine relative Feuchte von 50 % und mehr aufweist, dann können hydrophile Pulverpartikel Wasser anlagern. Das geschieht im Form von ein- und mehrmolekularen Adsorptionsschichten. Wenn sich diese Adsorptionsschichten mehrerer Partikel (punktweise) berühren kommt es zur Kapillarkondensation. Das Wasser bildet Flüssigkeitsbrücken und kann besonders große Haftkräfte zwischen den Partikeln bewirken. Agglomerationsprozesse können in dieser Form eingeleitet werden. Wenn Agglomeration vermieden werden soll, dann muss der Abstand der Pulverpartikel zueinander größer werden. Das kann man erreichen, wenn die Pulverpartikel mit einem Fließhilfsmittel ummantelt werden.
Variierende Partikelgrößen lassen unterschiedliche Bindemechanismen wirksam werden. (1) Flüssigkeitsbrücke; (2) van-der-Waals-Kräfte, (3) elektrostatische Kräfte, (4) Gewichtskraft
Was können Fließhilfsmittel bewirken?
Das Fließverhalten wird verbessert
Verbackungen und Klumpen werden vermieden
Das Pulver erscheint trockener als es ist
Zwei unterschiedlich wirkende Rieselhilfen:
c. hellblaue Partikel sind mit einer blauen Flüssigkeit benetzt. Eine Flüssigkeitsbrücke bindet zwei Partikel aneinander.
d. nach Zugabe und Vermischung einer kleinen Menge Fließhilfsmittels wird die benetzende Flüssigkeit ummantelt. Fließhilfsmittel und Flüssigkomponente haben keine Affinität zueinander. Beide Partikel sind nun voneinander getrennt.
e. braune Partikel sind mit einer türkisfarbenen Flüssigkeit benetzt. Eine Flüssigkeitsbrücke bindet zwei Partikel aneinander.
f. nach Zugabe und Vermischung einer kleinen Menge Fließhilfsmittels wird die benetzende Flüssigkeit absorbiert. Fließhilfsmittel und Flüssigkomponente haben sehr hohe Affinität zueinander. Beide Partikel sind nun voneinander getrennt.
Zwei unterschiedlich wirkende Rieselhilfen: links hydrophob, rechts hydrophil.
Der Einsatz von Fließhilfsmittel wird nur dann erwogen, wenn ein Pulver so unzuverlässig fließt,
- dass die innerbetriebliche Produktionslogistik behindert wird oder
- wenn die automatisierte Pulververarbeitung behindert wird oder
- wenn Hochleistungs-Verpackungsmaschinen blockieren oder
- wenn der Produktaustrag aus Silos, Bigbags oder Schüttgutcontainern blockiert
- wenn ein Schüttgut dazu neigt zu verklumpen, wenn es sich in Ruhe befindet (Zeitverfestigung)
Fließhilfsmittel (andere Bezeichnungen sind auch Rieselhilfe oder Anticaking Aid) sind Pulver mit sehr geringer Dichte, die besonders feindispers sind. Das macht sie extrem ergiebig. Ihre spezifische Oberfläche ist groß. Sie kann mehr als 500 m²/g betragen. Sehr kleine Mengen können pulvrige Güter wirkungsvoll ummanteln. Interpartikuläre Kräfte werden reduziert, Flüssigkeitsbrücken verschwinden und die Güter fließen erwartungsgemäß.
Fließhilfsmittel wie Magnesiumsilicat, Calciumsilicat, Siliciumdioxid, (andere Bezeichnungen sind auch Kieselgel, Kieselsäure oder Silikagel) sind aber extrem empfindlich in Bezug auf Druck und Scherung. Werden sie intensiv in Schüttgüter hineingemischt, dann geht ihre Antihaftwirkung verloren. Das Fließhilfsmittel muss also minimalinvasiv im Schüttgut verteilt werden; bei geringer Energieeintragung. Trotzdem muss das Fließhilfsmittel alle Partikeln des Schüttguts ummanteln.
Fließhilfsmittel/ Rieselhilfen werden dem Schüttgut nur in Anteilen von 0,001 oder 0,002 Gewichtsprozenten zugegeben. Das macht die Mischaufgabe anspruchsvoll.
Die Verteilung von Rieselhilfsmitteln in Schüttgütern ist sehr anspruchsvoll. Es müssen mehrere Zielkonflikte überwunden werden:
- Wenn möglich, dann soll das Rieselhilfsmittel nicht deklarierungspflichtig sein. Das wird insbesondere in der Lebensmittelindustrie gewünscht
- Rieselhilfsmittel sollen nur in minimal kleiner Dosage zum Einsatz kommen; das sind beispielsweise nur 0,001 Gewichtsprozent
- Rieselhilfsmittel sind sehr leichte Pulver. Sie neigen dazu, auf der Pulvermischung „aufzuschwimmen“
- Rieselhilfsmittel sind nur dann wirksam, wenn sie homogen im Pulvergemisch verteilt sind
- Die Partikelstruktur der Rieselhilfsmittel ist komplex und extrem empfindlich. Rieselhilfsmittel sind nur dann wirksam, wenn sie ungestresst vorliegen, also nicht verdichtet und nicht geschert wurden.
amixon® Doppelwellenmischer arbeiten besonders effizient. Die Mischwerkzeuge rotieren niedertourig. So bleibt die Struktur der Partikel erhalten.
Schonendes Mischen - Partikel ummanteln
amixon® hat sich viele Jahre mit diesen und ähnlichen Aufgabenstellungen befasst und besonders effektive Lösungen erarbeitet. amixon® Mischer sind für solche Mischaufgaben exzellent geeignet. Schüttgüter werden fließfähig gemacht, indem minimal wenig Rieselhilfsmittel zum Einsatz kommen. Das geschieht auch, wenn die Mischgut-Chargen mehrere Kubikmeter groß sind. Diese anspruchsvolle Verfahrensaufgabe wird in amixon® Mischern optimal schonend, innerhalb kurzer Mischzeit exzellent erledigt.
amixon®Testmischer verschiedenster Baugrößen stehen zur Verfügung: 10 Liter, 100 Liter, 400 Liter, 1000 Liter, 2000 Liter und 3000 Liter.
amixon® Doppelwellenmischer. Ideale, schonende Mischwirkung mit minimalem Energieaufwand
"Dry Liquid"
Die Struktur der Partikeloberfläche zeichnet sich aus durch das Vorhandensein vieler Kapillare. Die Partikel der Fließhilfsmittel verfügen über extrem große Oberflächen - bis zu 500 m²/Gramm. Insofern können Fließhilfsmittel auch verwendet werden, um große Menge Flüssigkeit aufzunehmen (bis zum dreifachen ihres Eigengewichtes) und zu binden. Man spricht von „trockener Flüssigkeit“. amixon® Mischer sind aufgrund ihrer schonenden Arbeitsweise besonders gut geeignet, dry liquids herzustellen.
Vereinzelt erzeugt man „dry liquids“, um kritische Pulver zu befeuchten und deren Agglomeration zu unterdrücken. Diese Methode des Pulverbenetzens funktioniert ohne Flüssigstoff-Sprühsysteme.
Benetzungsvorgang. Zu sehen sind hier die ruhende Flüssigkeit im Zentrum, das trockene Pulver am Rand und die langsam fortschreitende Benetzung. Das Benetzungsverhalten von Fließhilfsmitteln ist total anders. Innerhalb von Sekunden würde die gesamte Flüssigkeit absorbiert. (Flash-Absorption)
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