Propiedades de fluidez
El comportamiento de flujo de los materiales a granel es un tema central en la ingeniería de procesos. A diferencia de los líquidos, que en reposo solo ejercen fuerzas de presión verticales sobre la pared del recipiente, los materiales a granel en reposo generan además fuerzas de empuje. Estas fuerzas son el resultado de la fricción interna del material a granel y de la fricción con la pared. La fricción interna es específica de cada material y depende de la presión. El comportamiento puede compararse con el concepto del estado de tensión triaxial según Mohr.
El ingeniero estadounidense Andrew Jenike y otros científicos han investigado sistemáticamente las propiedades de flujo de los materiales a granel. Con un «aparato de cizallamiento Jenike» se pueden determinar los llamados puntos de flujo. Estos proporcionan información sobre cómo debe diseñarse un silo para garantizar un flujo de masa controlado.
Los parámetros importantes para el diseño de un silo son
- Altura total del silo
- Diámetro
- Material y características de su superficie
- Rugosidad de la pared
- Ángulo del cono
- Velocidad de descarga
- Diámetro de salida
El objetivo es diseñar los silos de manera que el material a granel fluya de forma fiable y uniforme en todas las condiciones de funcionamiento. Lo ideal es que la descarga se realice en flujo continuo. Para ello, todas las zonas de material a granel se mueven hacia abajo de forma simultánea y uniforme. No se produce ni la formación de chimeneas ni el flujo central. También se evitan las separaciones dentro del silo.
La tecnología de los polvos y las propiedades de flujo de los polvos son objeto de numerosos trabajos científicos: Profesor de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Núremberg. Es experto en ingeniería de partículas y de procesos de interfaz. Profesor Bernd Kieback, director durante muchos años de la cátedra de metalurgia de polvos de la Universidad Técnica de Dresde y del Fraunhofer IFAM de Dresde. Profesor Hermann Riedel, antiguo director del Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales (IWM) de Friburgo. Lutz Mädler, profesor de la Universidad de Bremen y coordinador del programa prioritario 2289 de la DFG sobre la mezcla de sistemas dispersos. Bilal Gökce, profesor de la Universidad de Wuppertal, especializado en materiales para la fabricación aditiva.
Las propiedades de flujo y la forma de las partículas son de especial importancia en los procesos de fabricación aditiva. Las propiedades de flujo determinan la facilidad con la que el polvo se distribuye en el sistema. Solo si el polvo fluye bien se forman capas densas y homogéneas. Las malas propiedades de fluidez provocan defectos en el componente.
La forma de las partículas influye mucho en el comportamiento de fluidez. Las partículas esféricas fluyen mejor que las de forma irregular. Los polvos metálicos procedentes de la atomización con gas suelen tener una buena forma esférica. Los polvos procedentes de la atomización por agua suelen ser angulosos y fluyen peor. La distribución del tamaño de los granos también es importante. Una distribución estrecha del tamaño de los granos con la menor cantidad posible de partículas finas mejora las propiedades de fluidez. Las partículas finas tienden a aglomerarse y pueden afectar a la fluidez. Los valores característicos importantes son la densidad de empaquetamiento y la densidad aparente.
Las propiedades de fluidez de los polvos no solo son importantes para el almacenamiento, sino también para el llenado y el envasado. En las modernas instalaciones de llenado, por ejemplo, en el envasado de té instantáneo en bolsitas, los procesos se desarrollan a gran velocidad. Esta velocidad solo es posible si el polvo presenta un comportamiento de fluidez uniforme. Además, debe estar prácticamente libre de polvo. De lo contrario, pueden surgir problemas al sellar el envase. El polvo fino en la junta de sellado impide un cierre hermético.
La logística interna de las empresas que procesan polvos también depende de unas propiedades de fluidez adecuadas. Solo si todos los polvos utilizados presentan un comportamiento de fluidez definido, es posible automatizar los procesos de producción.
Los polvos de principios activos químicos y farmacéuticos (API) tienen, en algunos casos, propiedades de fluidez extremadamente malas cuando están compuestos por partículas microfinas. Esto se aplica especialmente a los principios activos procedentes de síntesis en varias etapas con partículas nanofinas. Estos pueden incluso adherirse a superficies lisas de acero inoxidable. Estas propiedades de flujo también pueden mejorarse. Una posibilidad es la adición selectiva de pequeñas cantidades de agentes antiaglomerantes, como el ácido silícico pirogénico (Aerosil). Alternativamente, el tamaño de las partículas puede aumentarse de forma selectiva mediante aglomeración.
Existen numerosos métodos de medición para caracterizar las propiedades de flujo. En el mercado se comercializan diferentes dispositivos y sistemas:
- Aparatos de medición de anillo de Dietmar Schulze Schüttgutmesstechnik Estos aparatos, como el RST-XS.s y el RST Mk II, miden con precisión las propiedades de fluidez, como la fricción interna, la consolidación en el tiempo y la fricción en las paredes. Son especialmente adecuados para el diseño de silos y la caracterización de productos a granel, como harina, polvos farmacéuticos o cemento. Dietmar Schulze+2Dietmar Schulze+2Dietmar Schulze+2
- Reómetro de polvo FT4 de Freeman Technology Un dispositivo versátil para caracterizar la reología de los polvos. Permite realizar mediciones en diferentes condiciones, incluyendo estados solidificados, aireados o fluidizados, y proporciona datos completos sobre el comportamiento de los polvos.
- Aparatos para ensayos de fluidez de granulados de la serie GT de ERWEKA Esta serie incluye aparatos que ofrecen diferentes métodos de medición para determinar el comportamiento de flujo de polvos y granulados. Entre otras cosas, permiten medir el ángulo de reposo mediante tecnología láser.
- Aparato para ensayos de fluidez de polvos PF1 de SOTAX Un aparato flexible para caracterizar las propiedades de flujo de polvos y granulados. Combina tres métodos de ensayo estandarizados en un solo dispositivo y permite realizar ensayos sencillos y repetibles.
- Probador de polvos de Pharma Test Apparatebau AG El PTG-S5 es un dispositivo automático para medir el comportamiento de flujo de granulados y polvos según diferentes principios activos farmacéuticos. Se puede combinar con un espectrómetro de matriz de diodos NIR integrado.