Zeitverfestigung

Zeitverfestigung bezeichnet die Zunahme der inneren Festigkeit eines Materials im Verlauf einer ruhenden Lagerung. Dieser Effekt kann auch ohne zusätzliche äußere mechanische Belastung auftreten, etwa allein durch Eigengewicht oder Umgebungsbedingungen. Ursache sind zeitabhängige physikalische oder chemische Strukturänderungen im Material.

In der Verfahrenstechnik ist Zeitverfestigung vor allem bei feinkörnigen Pulvern und Schüttgütern, pastösen und zähplastischen Stoffen von Bedeutung. Beispiele sind Pulver mit Feuchteempfindlichkeit, oder frisch gemahlener Zucker, Teige, pastöse Mischungen sowie Produkte mit Stärke, Cellulosederivaten oder Verdickungsmitteln. Schüttgüter können im Silo oder IBC durch Lagerung verdichten, Brücken bilden oder „verbacken“ und dadurch ihre Fließfähigkeit verlieren.

Die Ursachen der Zeitverfestigung sind vielfältig. Dazu zählen das Nachordnen von Partikeln und Molekülen, Kontaktverfestigung an Korngrenzen, Ausbildung von Flüssigkeitsbrücken, Kristallisationsprozesse oder physikalische Vernetzungsmechanismen. Oft geht die Zeitverfestigung mit einer Erhöhung der scheinbaren Viskosität, einer steigenden Fließgrenze oder einem höheren Scherwiderstand einher.

σ_c= f(σ₁)

• σ₁ ist die Hauptkonsolidationsspannung. Das ist die größte Normalspannung, unter der das Schüttgut zuvor belastet wurde
• σ_c ist die einaxiale Druckfestigkeit. Das ist die maximale Druckspannung, die ein Material bei Belastung in nur einer Richtung aushält, bevor es „bricht“
• ffc ist der Fließfunktionsindex

Eine häufig genutzte Kenngröße ist der Fließfunktionsindex / Flowability Index ffc. Je größer ffc, desto besser die Fließfähigkeit

ffc = σ₁ / σ_c

In der Praxis kann eine empirische Beschreibung als „Fit-Model“ genutzt werden um die Festigkeitszunahme σ_c(t) zu bestimmen.

σ_c(t) ≈ σ_c(t₀) · (t/t₀)ⁿ

• t₀: ist die Ausgangszeit, bei der die Festigkeit σ_c(t₀) bekannt ist beispielsweise nach 1 Stunde 
• n ist ein dimensionsloser Exponent, der angibt, wie stark die Festigkeit mit der Zeit zunimmt er wird aus Messdaten gefittet und ist material‑ und bedingungsspezifisch

Zeitverfestigung beeinflusst das Mischen, Fördern, Lagern und Dosieren. Produkte, die nach Stillstand verfestigen, erfordern beim Wiederanlauf höhere Drehmomente, stärkere Antriebe oder spezielle Austragshilfen. In Mischern, Reaktoren und Lagerbehältern muss dieser Effekt bei Auslegung, Prozessführung und bei der Wahl der Austragsorgane berücksichtigt werden. Durch langsame, totraumfreie Bewegung kann eine Zeitverfestigung vollständig vermieden werden. Eine exzellente technische Lösung hierfür ist der Gyraton®-Silomischer von amixon®.