Benetzung

Benetzung ist der physikalische Vorgang, bei dem eine Flüssigkeit mit einer festen Oberfläche in Kontakt tritt und sich dort ausbreitet. An der Grenze zwischen Flüssigkeit und Feststoff entsteht eine Grenzfläche, deren energetische Eigenschaften das Benetzungsverhalten bestimmen. Die Pulverbefeuchtung beschreibt in diesem Zusammenhang das Eindringen und Verteilen einer Flüssigkeit in einem pulverförmigen, porösen Partikelhaufwerk.

Das Benetzungsverhalten wird durch die Grenzflächenspannungen zwischen Feststoff, Flüssigkeit und Gasphase beeinflusst. Ein zentrales Maß ist der Kontaktwinkel, der durch die Young-Gleichung beschrieben wird:

γ_SG = γ_SL + γ_LG ⋅cos(θ)

γ_SG ist die Grenzflächenspannung zwischen Feststoff und Gas, γ_SL zwischen Feststoff und Flüssigkeit und γ_LG zwischen Flüssigkeit und Gas. θ ist der Kontaktwinkel. Kleine Kontaktwinkel stehen für gute Benetzung; große Kontaktwinkel deuten auf hydrophobe Oberflächen hin. Im porösen Pulverhaufwerk spielt zusätzlich der kapillare Druck eine Rolle, der durch die Laplace-Gleichung beschrieben werden kann:

Δp = r ⋅ 2 γ_LG ⋅ cos(θ)

r stellt den effektiven Poren- oder Kapillarradius dar. Feine Pulver mit kleinen Poren und hydrophiler Oberfläche nehmen Flüssigkeiten durch starke Kapillarsaugkräfte schnell auf. Hydrophobe oder grobporige Systeme erfordern höhere Drücke oder intensivere Vermischung, um die Flüssigkeit gleichmäßig zu verteilen.

Die Flüssigkeitsverteilung im Pulver erfolgt typischerweise in zwei Schritten. Zunächst bildet sich ein Flüssigkeitsfilm auf den äußeren Partikeloberflächen, anschließend dringt die Flüssigkeit in das Innere des Haufwerks ein. Die Geschwindigkeit und Gleichmäßigkeit der Befeuchtung hängen stark von der Tropfengröße, der Tropfenimpulsenergie, der Viskosität und Oberflächenspannung der Flüssigkeit sowie von der Partikelmorphologie ab. Unterschiedliche Benetzungseigenschaften der Komponenten können die Agglomeration fördern oder hemmen und beeinflussen damit maßgeblich die Produktstruktur.

amixon® Mischer ermöglichen verschiedene Verfahren zur gezielten Pulverbefeuchtung. Flüssigkeiten können über Einstoff- oder Zweistoffdüsen eingetragen werden. Dabei lassen sich Tropfengröße und Auftreffgeschwindigkeit so einstellen, dass entweder eine feine Verteilung oder eine gezielte Initialisierung von Agglomerationen erreicht wird. Alternativ kann die Flüssigkeit als kompakter Strahl von oben auf das Mischbett aufgebracht werden, was insbesondere bei viskosen oder schaumempfindlichen Flüssigkeiten vorteilhaft ist. Eine weitere Möglichkeit ist der Dampfeintrag, bei dem kondensierender Dampf gleichmäßige Flüssigkeitsfilme auf den Partikeln erzeugt.

In einigen Fällen ist es sinnvoll, das Mischgut vor der Flüssigkeitszugabe zu evakuieren. Durch das Entfernen der Gasphase werden die Porenräume des Partikelhaufwerks entlüftet. Wird anschließend die Flüssigkeit zugegeben, kann sie aufgrund des entstehenden Druckgefälles schneller und tiefer in das Haufwerk eindringen. Dieses Verfahren nutzt die natürliche Porosität des Pulvers optimal aus und verbessert die Flüssigkeitsaufnahme insbesondere bei feinen, hydrophilen Pulvern oder bei Rezepturen, die hohe Flüssigkeitsgehalte homogen aufnehmen sollen.