Твёрдые материалы

Твёрдые материалы характеризуются агрегатным состоянием, при котором молекулы или атомы расположены в твёрдой кристаллической решётке или аморфной структуре. Однако в техническом контексте, особенно при переработке порошков, твёрдые материалы редко бывают однородными. В большинстве случаев они представляют собой многофазные системы.

Порошкообразные твёрдые материалы образуют так называемые дисперсные скопления, то есть совокупности частиц неправильной формы с различным размером. Между этими частицами неизбежно существуют пустоты, которые, как правило, заполнены окружающим воздухом. Таким образом, такие дисперсные системы являются двухфазными (твёрдый материал + газ). Если дополнительно присутствует жидкость, например в результате адсорбции воды или вследствие гигроскопических свойств частиц, возникает трёхфазная система (твёрдый материал + жидкость + газ).

Геометрическое расположение и плотность таких скоплений описываются так называемой насыпной плотностью, которая может значительно различаться в зависимости от формы, размера и распределения частиц. Пористость порошка поддаётся математическому описанию и имеет решающее значение для многих параметров технологического процесса, например для текучести, смешиваемости, сушки или растворимости.

ϕ: насыпная плотность

VSolid: объём твёрдого материала

Vtotal: общий объём порошковой смеси

ε: пористость

Некоторые промышленные процессы целенаправленно используют газовую фазу в порошкообразных твёрдых материалах.

Например, при производстве детского питания с длительным сроком хранения или пробиотических порошков окружающий воздух из упаковки удаляют и заменяют защитной газовой смесью — обычно азотом и диоксидом углерода. Эта газовая смесь снижает интенсивность окислительных реакций и защищает упаковку от перепадов температуры. При этом коэффициент теплового расширения смеси близок к коэффициенту теплового расширения окружающего воздуха.

Порошкообразные концентраты имеют ряд преимуществ по сравнению с жидкостями:

• более высокая концентрация действующего вещества на единицу объёма
• меньший объём упаковки
• значительно более высокая стабильность при хранении

В то же время переработка твёрдых материалов предъявляет высокие требования к технологическому оборудованию. Смешивание порошков значительно сложнее смешивания жидкостей, поскольку необходимо учитывать, в частности, следующие аспекты:

• абразивный износ
• текучесть
• риск образования комков
• склонность к расслоению при различии плотности компонентов
• гигиенические проблемы вследствие образования пыли

Примечание

При разработке порошковых концентратов основное внимание уделяется обеспечению лёгкого смачивания и растворения.

Некоторые порошковые концентраты характеризуются сложным поведением при смачивании и диспергировании. При этом могут образовываться мелкие пузырьки газа. Это может привести к нежелательному пенообразованию. Особенно в вязких жидкостях или при наличии гидрофобных поверхностей порошковых частиц пузырьки могут оставаться стабильно в системе даже при приложении вакуума. Для компенсации этих эффектов на практике применяются различные роторно-статорные системы с высоким усилием сдвига (High-Shear).

amixon® производит прецизионные смесители, которые позволяют сохранять высокую растворимость порошков. Они смешивают продукты с минимальными затратами энергии и минимальным сдвиговым воздействием. Они обеспечивают идеальное качество смешивания любых порошкообразных или полутвёрдых материалов — независимо от размера частиц, насыпной плотности или влажности. Проверенный трёхмерный принцип смешивания эффективно работает также при изменении степени заполнения смесителя.