Mezcla de polvos

Mezcla de polvos

Una mezcla de polvos está compuesta por al menos dos sólidos diferentes. Los sólidos se presentan en forma de polvo, es decir, dispersos. Las partículas individuales están separadas físicamente entre sí y no se produce ninguna reacción química. Las mezclas de polvos revisten una importancia fundamental en prácticamente todas las industrias, por ejemplo, en la industria química, alimentaria, farmacéutica y de materiales. Un parámetro de calidad es la homogeneidad de la distribución de la materia, es decir, la calidad de la mezcla.

Se considera que una mezcla de polvos está mezclada de forma ideal cuando se alcanza una distribución aleatoria estadística de todas las partículas. En este estado, la probabilidad de encontrar una partícula determinada en cualquier posición de la mezcla es la misma en todas partes; esta distribución se denomina mezcla ideal. La distribución aleatoria ideal puede describirse matemáticamente, siempre que se conozca la distribución del tamaño de las partículas de todos los componentes y se haya definido correctamente el tamaño de la muestra.

La variación estadística de la concentración de un componente en una muestra se deriva de la varianza de una variable aleatoria con distribución de Bernoulli:

σ² = (p · (1 − p)) / n

p es la fracción másica o volumétrica del componente considerado
n es el número de partículas en la muestra

A medida que aumenta el tamaño de la muestra n, disminuye la dispersión estadística σ; por lo tanto, la calidad de la mezcla siempre depende de la escala. Una mezcla de polvos real no puede ser más homogénea que su distribución aleatoria ideal; esta representa el límite físico superior de la miscibilidad.

En la práctica, la calidad de la mezcla se describe a menudo mediante el coeficiente de variación CV:

CV = σ / μ

σ es la desviación estándar de la concentración
μ es el valor medio de la concentración

Un coeficiente de variación pequeño indica una alta calidad de la mezcla. Como parámetro relativo, el CV no tiene dimensiones y, por lo tanto, es independiente de las unidades físicas. En muchas mezclas de sustancias, los valores inferiores al 5 % se consideran muy buenos, aunque los valores límite exactos pueden variar en función de la estructura de las partículas. En la bibliografía se suelen citar los siguientes rangos para composiciones de componentes de 1:100 o 1:1000:

CV>10 %CV>10 % → mal mezclado
CV≈5 %CV≈5 % → bien mezclado
CV<2 %CV<2 % → mezcla muy buena, si prevalecen condiciones especialmente favorables

En casos especiales, se mezclan incluso composiciones de componentes de 1:100 000 para probar el rendimiento de los mezcladores de polvo. La calidad de mezcla realmente alcanzable depende en gran medida de las propiedades de los componentes implicados y del principio de mezcla utilizado. Los mecanismos de mezcla tridimensionales con bajo esfuerzo de cizallamiento y movimientos relativos controlados de las partículas favorecen el logro de la distribución ideal.

Factores que influyen en la mezclabilidad

Ciertas propiedades de los componentes favorecen una mezcla especialmente homogénea y reducen la tendencia a la segregación:

Un tamaño de partícula uniforme reduce los efectos de segregación; las grandes diferencias favorecen la percolación y la segregación.
Una forma de partícula lo más redondeada posible mejora las propiedades de fluidez y reduce los enredos mecánicos.
Las densidades aparentes similares evitan la segregación gravitatoria; las diferencias de densidad pronunciadas tienen un efecto separador.
Las propiedades de fluidez comparables favorecen movimientos relativos uniformes; las diferencias marcadas provocan la desconexión del flujo.
Una distribución estrecha del tamaño de las partículas aumenta la uniformidad estadística; las distribuciones amplias dificultan la homogeneización.
Una humectación uniforme puede reducir la formación de polvo y los efectos electrostáticos, y estabilizar la mezcla.
Las energías superficiales y las interacciones similares de los componentes son ventajosas; las afinidades muy diferentes favorecen la segregación.
Los aglomerados se comportan como partículas gruesas independientes; su desaglomeración hasta las partículas primarias es decisiva cuando se busca una dispersión fina.
Otros factores que influyen son la temperatura, la humedad, el tiempo de mezcla, el grado de llenado y el tipo de flujo en el mezclador.
La carga electrostática provoca la separación de polvos finos y empeora la calidad de la mezcla.

Tamaño mínimo de la muestra para la prueba de homogeneidad

Para evaluar la calidad de la mezcla se requiere un tamaño de muestra suficiente. El número mínimo n_min de partículas de una muestra se puede deducir a partir de la dispersión máxima deseada de la concentración:

n_min = (1 − p) / (p · CV_max²)

p es la fracción en masa o en volumen del componente considerado
CV_max es el coeficiente de variación máximo admisible

El recuento directo de partículas rara vez es viable desde el punto de vista metrológico, por lo que se requiere la masa mínima de muestra correspondiente m_p. Para ello se necesita la masa media de las partículas, que, suponiendo que sean esféricas, se calcula a partir de la densidad y el diámetro medio de las partículas:

m_p = ρ · (π · d³) / 6

m_p es la masa mínima de la muestra
ρ es la densidad de las partículas
π es el número pi
d es el diámetro medio de las partículas

Ejemplo:

Ya a partir de una proporción en masa inferior al 1 %, en la literatura se habla de un componente traza. Si se desea que el coeficiente de variación de la calidad de la mezcla CV de este componente sea como máximo del 5 %, de la ecuación se obtiene el número mínimo de partículas n_min necesario en la muestra:

Proporción p=0,01
CVmáx deseado=0,05

n_min= 1/(0,01⋅0,05²) = 40 000

La calidad de la mezcla puede expresarse en forma de un coeficiente de calidad de mezcla adimensional y, por lo tanto, es independiente de las unidades físicas. Esto permite comparar entre sí las calidades de mezcla de productos muy diversos. Por regla general, el número mínimo de muestras por lote no debería ser inferior a diez, a fin de garantizar una significación estadística suficiente de la prueba de homogeneidad.

Ejemplo práctico (amixon^®)

En la práctica, se realizan ensayos con mezcladores amixon® con composiciones de componentes de hasta 1:100 000, entre otras. El tamaño de partícula del componente de menor tamaño se sitúa típicamente en el rango de entre 10 y 50 micrómetros, con lotes de mezcla de unos 3 metros cúbicos y cantidades de muestra de tan solo unos 15 gramos. En estos ensayos, la cantidad del componente minoritario se determina analíticamente; los coeficientes de variación de la calidad de la mezcla obtenidos se sitúan en el rango de aproximadamente el 1,5 al 3,5 por ciento.

Estos datos analíticos demuestran que con mezcladores de precisión se pueden alcanzar de forma reproducible calidades de mezcla muy elevadas.