액체의 점성이 높고 분말의 입자가 매우 작은 경우 습윤 공정이 특히 어렵습니다.
분말 혼합의 맥락에서 액체의 유변학
이 블로그 글에서는 분말 습윤의 핵심적인 측면인 다양한 액체의 유변학적 특성이 혼합 결과에 미치는 영향을 살펴보겠습니다. 유변학은 액체의 유동 방식, 전단 응력 하에서의 거동, 분말 입자에 대한 습윤 능력 등을 결정하는 핵심 요소입니다. 이러한 상관관계는 습윤된 분말의 특성, 즉 유동성, 혼합물의 균일성, 응집 경향, 그리고 원래 입자 형태와 크기의 유지 여부에 직접적인 영향을 미칩니다.
분말을 균일하게 습윤시키기 위해서는 모든 입자가 그 특정 표면에 상응하는 유사한 액체층을 가져야 합니다. 따라서 혼합 공정의 목표는 소량 및 다량의 액체를 분말의 방대한 전체 접촉 면적에 고르게 분배하는 것입니다. 혼합 공정 후 과도한 습윤이나 건조 영역이 존재해서는 안 됩니다. 달성 가능한 제품 품질은 정의된 액적 크기, 정밀한 도징 전략 및 조정된 혼합 에너지의 상호 작용에 의해 크게 결정됩니다. 이와 관련하여 습윤 액체의 화학적 및 물리적 특성에 대해 많이 알고 있으면 유리합니다.
점도와 온도 의존성
동적 점도 η는 유체의 전단 또는 변형에 대한 저항을 나타내며 혼합 거동의 핵심 지표입니다. 많은 저점도에서 중점도 유체의 경우 점도의 온도 의존성은 아레니우스 식으로 근사적으로 설명할 수 있습니다:
η(T) = η0 * exp ( Eη / (R * T) )
여기서
η … 동적 점도,
η0 … 재료 상수(기준 온도에서의 점도),
Eη … 유동 과정의 활성화 에너지,
R … 보편 가스 상수,
T … 켈빈 단위의 절대 온도.
온도가 상승함에 따라 대부분의 유기 액체의 점도는 현저히 감소하므로, 레시틴, 당밀, 꿀, 올레오레진 또는 특정 식물성 오일과 같은 고점도 성분은 적당히 가열하면 더 잘 펌핑되고 정밀하게 계량되며 혼합실에서 분산될 수 있습니다. 점도 변화는 많은 경우 가역적이지만, 복잡한 구조를 가진 액체(예: 유화액, 농축 당 용액 또는 구조 점성 시스템)의 경우 열적 또는 기계적으로 유발된 구조 변화가 히스테리시스 효과를 초래할 수 있어 가열 및 냉각 시 유동 특성이 동일하지 않을 수 있습니다.
다양한 종류의 액체. 대부분의 경우 점도의 변화는 되돌릴 수 있습니다. 그러나 종종 상당한 히스테리시스가 발생합니다.
뉴턴 유체
뉴턴 유체의 점도는 전단 속도와 무관합니다:
τ = η * γ˙, η = 일정
대표적인 예로는 물, 많은 식용유 및 고도로 희석된 용액이 있습니다. 이들의 유동 특성은 선형적이고 예측이 용이합니다. 표면 장력은 신뢰성 있게 특성화할 수 있습니다. 점탄성 효과는 발생하지 않습니다. 점도는 온도에 따라만 변화합니다.
이로 인해 뉴턴 유체는 혼합 공정에서 특히 제어하기 쉽습니다. 액체 첨가물의 투여량과 방식이 올바르게 설계된 경우, 재현 가능하고 균일한 습윤을 가능하게 합니다.
amixon® 이중축 믹서, 동물 사료용 (16m³ 배치).
두 개의 절삭 로터와 액체 랜스를 장착한 amixon® 이중축 믹서.
amixon® 콘형 혼합기는 세제류의 연속 혼합 및 습윤에 적합합니다.
3m³ 배치용 amixon® 콘형 혼합기는 향신료 혼합물의 혼합 및 습윤에 적합합니다.
전단변성 또는 가소성 유체
전단변성 또는 가소성 유체는 전단 속도가 증가함에 따라 겉보기 점도가 감소하는 특성을 보입니다. 이러한 유체의 거동은 종종 오스트발트-드-발레 모델 또는 파워 법칙 모델로 설명될 수 있습니다. 이러한 유체는 일반적으로 분무하기에 매우 적합합니다. 단일 물질 또는 다중 물질 분무 노즐(atomizing nozzles)을 통해 분사할 수 있습니다.
τ = K * γ˙n ; n < 1
여기서
γ˙ … 전단 속도
K … 일관성 지수,
n … 유동 지수(전단 희석도).
토마토 페이스트, 다양한 겔 형성제, 다당류 용액 및 수많은 유화액이 그 예입니다. 혼합실의 높은 국부 전단 조건에서 이러한 액체는 점도가 낮아져 분말 표면에 분포하기 쉬워집니다. 동시에 정지 상태에서는 침전이나 분리 현상을 줄일 만큼 충분한 점도를 유지합니다.
왼쪽에 표시된 amixon® 콘형 혼합기는 연속적으로 혼합합니다. 이 혼합기는 계량 셀 위에 설치되어 있습니다. 중량 측정 방식으로 여러 분말과 액체 성분이 콘형 혼합기로 유입됩니다. 배출 밸브는 하단에 위치합니다. 이 밸브는 혼합된 재료를 지속적으로 배출하여 충전도가 항상 일정하게 유지되도록 합니다. 이를 통해 분말은 매우 부드럽게 혼합되고 균일하게 습윤됩니다. 연속식 혼합기 AMK 600은 시간당 12~15m³의 처리량을 위해 설계되었습니다.
전단증점성(확장성) 유체
전단증점성(확장성) 유체는 전단 속도가 증가함에 따라 겉보기 점도가 증가합니다. 따라서 빠른 움직임과 높은 국부 전단력에 민감하게 반응합니다. 이러한 매체는 가능한 한 천천히 그리고 최소한의 전단 응력으로 취급해야 합니다.
τ = K * γ˙n ; n > 1
전단 농축 특성은 전분 현탁액 및 고농도 분산액에서 흔히 나타납니다. 이러한 물질을 빠르게 이송할 경우 점도가 급격히 상승할 수 있습니다. 실제로 전단 농축성 액체가 이완된 저점도 상태에서 강렬한 분말 교반 영역으로 유입될 때 우수한 혼합 결과가 얻어지는 경우가 많습니다. 분말 혼합기에서는 이 방식으로 미세하게 분산된 후 팽창성 점도가 상승합니다.
지속적인 전단 농축 액체 분배를 위해 링층 혼합기도 사용할 수 있습니다. 혼합실은 수평으로 배치된 파이프로 구성됩니다. 그 안에서 고속 회전하는 혼합 도구가 회전합니다. 높은 회전 주파수는 압축된 분말 입자로 구성된 안정적인 링층을 생성합니다. 이 구역에서는 강한 난류와 집중적인 전단력이 작용합니다. 링층 혼합기는 분말을 균일하게 습윤시킬 뿐만 아니라 액체 재료의 공급량을 정확하게 설정하면 제품을 균일하게 응집시킬 수도 있습니다.
amixon® 이중축 혼합기, 고강도 처리용 (4m³ 배치).
절삭 로터 및 로터-스테이터로 특히 강력한 응집 해체 효과 구현.
액체 주입: e) 스월러의 작용 영역에 주입, f) 가스 주입을 통한 분사
기술 센터: “펄스 없는 중량식 분무 가능 액체 재료 계량”
amixon® 기술 센터에서의 실용적인 공정 개발
amixon® 팀은 귀사의 분말 제품을 기술 센터에서 테스트해 보시도록 진심으로 초대합니다. 이곳에서는 거의 매일 다양한 분말이 습윤 처리를 통해 변형 및 고도화됩니다.
이 과정에서 액체 첨가는 분말과 액체의 특성에 최적화되어야 합니다. 또한 온도, 농도 및 배합도 조정되어야 합니다. 재료 첨가의 정의된 순서 역시 중요합니다. 혼합 강도도 제품을 손상시키지 않는 선에서 적절해야 합니다. 때로는 액체를 분말에 단계적으로 분배하는 것이 바람직합니다. 특히 효과적인 것은 다단계 혼합 공정으로, 더 미세한 분말 성분이 약간 과습된 입자를 코팅하는 방식입니다. 이렇게 하면 먼지처럼 미세한 분획이 결합됩니다. 이는 유동성을 개선하고 먼지 발생을 줄이며 후속 포장 기술을 안정화시킵니다.
amixon®은 최적의 공정 운영을 찾도록 지원합니다 – 정확하고, 빠르며, 실용적으로.
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