Proprietà del flusso
Il comportamento del flusso dei solidi sfusi è una questione fondamentale nell'ingegneria di processo. A differenza dei liquidi, che a riposo esercitano solo forze di pressione verticale sulla parete del contenitore, i solidi sfusi generano forze di taglio aggiuntive a riposo. Queste derivano dall'attrito interno del materiale sfuso e dall'attrito della parete. L'attrito interno è specifico del materiale e dipende dalla pressione. Il comportamento può essere confrontato con il concetto di stato di sollecitazione triassiale secondo Mohr.
L'ingegnere americano Andrew Jenike e altri scienziati hanno analizzato sistematicamente le proprietà di flusso dei materiali sfusi. I cosiddetti punti di flusso possono essere determinati utilizzando un “Jenike shear tester”. Questi forniscono informazioni su come deve essere costruito un silo per garantire un flusso di massa controllato.
I parametri importanti per la progettazione di un silo sono
- altezza totale del silo
- diametro
- Materiale e qualità della sua superficie
- rugosità delle pareti
- Angolo del cono
- Velocità di scarico
- Diametro di scarico
L'obiettivo è progettare i sili in modo che il materiale sfuso fuoriesca in modo affidabile e uniforme in tutte le condizioni operative. Idealmente, lo scarico avviene in flusso di massa. Tutte le aree di materiale sfuso si muovono verso il basso contemporaneamente e in modo uniforme. Non si formano né scivoli né flussi centrali. Si evita anche la segregazione all'interno del silo.
La tecnologia delle polveri e le proprietà di flusso delle polveri sono oggetto di numerosi studi scientifici: Professore presso l'Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Norimberga. È un esperto di ingegneria dei processi particellari e interfacciali. Professore Bernd Kieback, da lungo tempo a capo della cattedra di Metallurgia delle polveri presso la TU di Dresda e l'IFAM Fraunhofer di Dresda. Professore Hermann Riedel, ex capo dell'Istituto Fraunhofer per la Meccanica dei Materiali (IWM) di Friburgo. Lutz Mädler, professore all'Università di Brema e coordinatore del programma prioritario 2289 del DFG sulla miscelazione dei sistemi dispersi. Bilal Gökce, professore dell'Università di Wuppertal specializzato in materiali per la produzione additiva.
Le proprietà di flusso e la forma delle particelle sono particolarmente importanti nei processi di fabbricazione additiva; le proprietà di flusso determinano la dispersione della polvere nel sistema. È possibile creare strati densi e omogenei solo se la polvere scorre bene. Le scarse proprietà di flusso portano a imperfezioni nel componente.
La forma delle particelle influenza fortemente il comportamento del flusso. Le particelle sferiche scorrono meglio di quelle di forma irregolare. Le polveri metalliche ottenute per atomizzazione a gas hanno generalmente una buona forma sferica. Le polveri ottenute per atomizzazione in acqua sono spesso angolari e scorrono più difficilmente. Anche la distribuzione delle dimensioni delle particelle è importante. Una distribuzione granulometrica stretta con il minor numero possibile di particelle fini migliora le proprietà di flusso. Le particelle fini tendono ad agglomerarsi e possono compromettere la fluidità. Valori caratteristici importanti sono la densità di impaccamento e la densità di spillatura.
Le proprietà di scorrimento delle polveri non giocano un ruolo decisivo solo durante lo stoccaggio, ma anche durante il riempimento e il confezionamento. Nei moderni sistemi di riempimento, ad esempio nel confezionamento del tè istantaneo in bustine, i processi si svolgono a velocità molto elevate. Questa velocità è possibile solo se la polvere ha un comportamento di flusso uniforme. Inoltre, deve essere in gran parte priva di polvere. In caso contrario, possono verificarsi problemi durante la sigillatura della confezione. La presenza di polvere fine sul cordone di saldatura impedisce una chiusura ermetica.
Anche la logistica interna delle aziende di lavorazione delle polveri dipende da proprietà di flusso sufficienti. I processi produttivi possono essere automatizzati solo se tutte le polveri utilizzate hanno un comportamento di flusso definito.
Le polveri di principi attivi chimici e farmaceutici (API) hanno talvolta proprietà di scorrimento estremamente scarse se sono costituite da particelle microfini. Questo vale in particolare per gli API provenienti da sintesi multistadio con particelle nanofini. Queste possono persino aderire alle superfici lisce dell'acciaio inossidabile. Anche queste proprietà di flusso possono essere migliorate. Una possibilità è l'aggiunta mirata di piccole quantità di agenti antiagglomeranti, come la silice fumata (Aerosil). In alternativa, la dimensione delle particelle può essere aumentata in modo specifico mediante agglomerazione.
Per caratterizzare le proprietà di flusso sono disponibili numerosi metodi di misurazione. Sul mercato sono disponibili diversi dispositivi e sistemi:
- Dispositivi a taglio anulare della Dietmar Schulze Schüttgutmesstechnik Questi dispositivi, come l'RST-XS.s e l'RST Mk II, misurano con precisione le proprietà di flusso come l'attrito interno, il tempo di consolidamento e l'attrito delle pareti. Sono particolarmente adatti per la progettazione di silo e la caratterizzazione di materiali sfusi come farina, polvere farmaceutica o cemento. Dietmar Schulze+2Dietmar Schulze+2Dietmar Schulze+2
- Reometro per polveri FT4 di Freeman Technology Un dispositivo versatile per la caratterizzazione della reologia delle polveri. Consente di effettuare misurazioni in diverse condizioni, tra cui stati solidificati, aerati o fluidificati, e fornisce dati completi sul comportamento delle polveri.
- Tester di flusso per granuli della serie GT di ERWEKA Questa serie comprende dispositivi che offrono vari metodi di misura per determinare il comportamento di flusso di polveri e granuli. Tra le altre cose, consentono di misurare l'angolo di riposo utilizzando la tecnologia laser.
- Tester di flusso per polveri PF1 di SOTAX Un dispositivo flessibile per la caratterizzazione delle proprietà di flusso di polveri e granulati. Combina tre metodi di prova standardizzati in un unico dispositivo e consente di eseguire test semplici e ripetibili.
- Tester per polveri di Pharma Test Apparatebau AG Il PTG-S5 è un tester automatico per la misurazione del comportamento di flusso di granulati e polveri in base a diversi ingredienti farmaceutici attivi. Può essere combinato con uno spettrometro NIR diode array integrato.