Pulverbenetzung
Der Begriff „Pulverbenetzung“ wird häufig synonym zu „Pulverbefeuchtung“ verwendet. Es handelt sich um einen der wichtigsten verfahrenstechnischen Prozesse in der Pulveraufbereitung. Pulverbenetzung bedeutet das Zusammenführen zweier Komponenten mit unterschiedlichem Aggregatzustand. Feststoffpartikel werden mit einer flüssigen Phase in Kontakt gebracht. Bereits geringe Flüssigkeitsmengen können das Fließ- und Verformungsverhalten des Pulvers grundlegend verändern.
Pulver liegen trocken als disperse Feststoff-Gas-Systeme vor. Durch die Benetzung entsteht ein mehrphasiges System aus Feststoff, Flüssigkeit und Gas. Mit zunehmendem Flüssigkeitsanteil verändern sich die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln stark.
Zunächst bilden sich Flüssigkeitsbrücken zwischen benachbarten Partikeln. Diese erzeugen kapillare Kräfte und erhöhen die Kohäsion des Systems. Das Pulver wird weniger rieselfähig und zeigt plastisches Verhalten. Bei weiterem Flüssigkeitseintrag geht das System in einen pastösen oder schlammartigen Zustand über. Die Kapillarkraft einer Flüssigkeitsbrücke kann vereinfacht beschrieben werden durch:
Fk ≈ 2 ·π ·r· γ · cos θ
- r ist der effektive Partikelradius
- γ ist die Oberflächenspannung der Flüssigkeit
- θ ist der Benetzungswinkel
Je kleiner der Benetzungswinkel, desto stärker ist die Benetzung und desto höher sind die kapillaren Bindungskräfte. Ob eine Flüssigkeit ein Pulver gut benetzt, hängt von der Oberflächenenergie der Partikel und der Oberflächenspannung der Flüssigkeit ab. Der Benetzungszustand wird über den Kontaktwinkel beschrieben:
cos θ = (γSV−γSL) / γLV
- γSV ist die Feststoff-Gas-Grenzflächenspannung
- γSL ist die Feststoff-Flüssigkeits-Grenzflächenspannung
- γLV ist die Flüssigkeits-Gas-Grenzflächenspannung
Ein kleiner Kontaktwinkel steht für gute Benetzbarkeit. Mit zunehmender Benetzung ändern sich die rheologischen Eigenschaften des Systems. Das Pulver zeigt nicht-newtonsches Verhalten. Häufig tritt eine Fließgrenze auf. Das Material verhält sich unter geringer Belastung festartig und beginnt erst oberhalb einer kritischen Schubspannung zu fließen. Dieses Verhalten lässt sich idealisiert mit dem Bingham-Modell beschreiben:
τ = τ0 + ηp · γ˙
- τ ist Schubspannung
- τ0 ist die Fließgrenze
- ηp ist die plastische Viskosität
- γ˙ist die Scherrate
Pulverbenetzung beeinflusst daher Mischmechanismus, Energieeintrag und Prozessführung entscheidend. Technisch wird Pulverbenetzung eingesetzt, um Staub zu binden, Agglomeration einzuleiten, Additive gleichmäßig aufzubringen oder chemische Reaktionen zu ermöglichen. Sie ist ein zentraler Schritt beim Granulieren, Beschichten, Imprägnieren und bei der Herstellung funktionaler Pulver.
Der Gegenprozess ist die Entfeuchtung oder Trocknung. Dabei wird die Flüssigkeit wieder entfernt. Die Stoffkonsistenz durchläuft dabei die gleichen Zustandsbereiche in umgekehrter Reihenfolge. Das Verständnis der Benetzungsmechanismen ist daher auch für Vakuum-Mischtrocknungsprozesse von zentraler Bedeutung.
Pulverbenetzung ist ein komplexes Zusammenspiel aus Pulvertechnologie, Grenzflächenphysik und Rheologie. Die amixon®-Mischer verfügen über moderne Benetzungsmethoden. Damit lassen sich Pulver besonders schonend und gleichmäßig benetzen. So können die Instanteigenschaften gezielt verbessert werden.