Pulverringschicht
Eine Pulverringschicht entsteht, wenn ein Pulver in einem zylindrischen Mischraum von einem zentral gelagerten Mischwerkzeug stark beschleunigt wird. Das Mischwerkzeug rotiert mit hoher Umfangsgeschwindigkeit. Die Pulverpartikel werden durch Trägheit in eine quasi-kreisförmige Bahn gezwungen.
Die Partikel erfahren eine Zentrifugalbeschleunigung. Sie beträgt näherungsweise
az = ω2·r
- ω ist die Winkelgeschwindigkeit
- r ist der halbe Rotationsdurchmesser
Die resultierende Zentrifugalkraft F auf ein Partikel der Masse m ist
Fz = m·ω2·r
Das Pulver wird dadurch gegen die innere Wand des Mischzylinders gepresst. Im stationären Zustand bildet sich ein ringförmiger, dicht gepackter Bereich aus. Man spricht von einer Pulverringschicht. In dieser Schicht herrscht das Gleichgewicht zwischen Zentrifugalkraft, Schwerkraft und Wandreibung.
Die Kontaktkräfte zwischen Partikeln und Wand führen zu einer starken Scherbeanspruchung. Die Wandreibungskraft wächst mit der Normalkraft, die durch die Zentrifugalkraft bestimmt wird. Vereinfacht
FR = μ·FN
- μ ist der Reibungskoeffizient
- FN ist die Normalkraft
Je größer ω und r, desto höher sind die Normalkräfte und somit die Scherbeanspruchung in der Ringschicht. Das permanente Wechselspiel aus Beschleunigung durch das Mischwerkzeug und Abbremsung an der Wand bewirkt eine intensive Relativbewegung der Partikel. Agglomerate werden desagglomeriert. Gleichzeitig findet eine sehr intensive Durchmischung der Primärpartikel statt.
Wenn eine kleine Menge Bindemittel zugesetzt wird, ändert sich der Mechanismus. Die kollidierenden Partikel verkleben an ihren Kontaktstellen. Es bilden sich Agglomerate definierter Größe. Die Ringschicht wirkt in diesem Fall als Agglomerationszone.
Die Gleichmäßigkeit der Agglomerate hängt stark von der Geometrie des Mischraums ab. Ein sehr rund ausgeführter Zylinder besitzt eine nahezu konstante Wandradiuslinie. Dann bleibt der Abstand zwischen Mischwerkzeug und Wand weitgehend konstant. Man spricht von einem hohen Grad an Äquidistanz. Eine hohe Äquidistanz führt zu einem engen Verteilungsband der Scher- und Normalspannungen in der Ringschicht. Alle Partikel durchlaufen ähnliche Belastungszyklen. Das begünstigt eine enge Kornspektrumverteilung der entstehenden Agglomerate.
Die Dynamik in der Pulverringschicht lässt sich idealisiert mit dimensionslosen Kennzahlen beschreiben. Eine wichtige Größe ist die Froude-Zahl Fr. Sie wird für rotierende Behälter häufig wie folgt definiert:
Fr=ω2⋅r/g
Dabei ist g die Erdbeschleunigung, ω die Winkelgeschwindigkeit und r der charakteristische Radius. Die Froude-Zahl charakterisiert das Verhältnis von Zentrifugalbeschleunigung zu Schwerkraft. Dominiert die Zentrifugalkraft (Fr≫1)(Fr≫1), wird die Ringschicht stark an die Wand gepresst. Bei kleineren Werten (Fr<1)(Fr<1) nimmt der Einfluss der Schwerkraft zu, und das Pulver kann teilweise abfließen bzw. in einer rollenden oder gleitenden Schicht zirkulieren.