Текучесть

Поведение сыпучих материалов при течении является одной из центральных тем в технологии процессов. В отличие от жидкостей, которые в состоянии покоя оказывают на стенки емкости только вертикальные силы давления, сыпучие материалы в состоянии покоя дополнительно создают силы сдвига. Они возникают в результате внутреннего трения сыпучего материала и трения о стенки емкости. Внутреннее трение зависит от характера материала и давления. Это поведение можно сравнить с концепцией трехосного напряженного состояния по Мору.

Американский инженер Эндрю Дженик и другие ученые систематически исследовали текучие свойства сыпучих материалов. С помощью «ножниц Дженика» можно определить так называемые точки текучести. Они дают информацию о том, как должен быть сконструирован силос, чтобы обеспечить контролируемый поток массы.

Важными параметрами для проектирования силоса являются

• Общая высота силоса
• Диаметр
• Материал и его поверхность
• Шероховатость стенок
• Угол конуса
• Скорость разгрузки
• Диаметр выпускного отверстия

Цель состоит в том, чтобы сконструировать силосы таким образом, чтобы сыпучий материал надежно и равномерно вытекал при любых условиях эксплуатации. В идеале разгрузка происходит в виде массового потока. При этом все участки сыпучего материала движутся одновременно и равномерно вниз. Не происходит ни образования дымохода, ни потока в центре. Также предотвращается расслоение внутри силоса.

Технология порошков и текучесть порошков являются предметом многочисленных научных работ: Профессор Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге. Он является экспертом в области технологии частиц и межфазных процессов. Профессор Бернд Кибак, многолетний руководитель кафедры порошковой металлургии в Техническом университете Дрездена и Fraunhofer IFAM в Дрездене. Профессор Герман Ридель, бывший руководитель Института механики материалов Fraunhofer (IWM) во Фрайбурге. Лутц Мэдлер, профессор Бременского университета и координатор приоритетной программы DFG 2289 по смешиванию дисперсных систем. Билал Гёкче, профессор Университета Вупперталя, специалист в области материалов для аддитивного производства.

В аддитивных технологиях особую роль играют текучесть и форма частиц. Текучесть определяет, насколько хорошо порошок распределяется в системе. Только при хорошей текучести порошка образуются плотные, однородные слои. Плохая текучесть приводит к появлению дефектов в детали.

Форма частиц сильно влияет на текучесть. Шаровидные частицы текут лучше, чем частицы неправильной формы. Металлический порошок, полученный путем распыления газа, как правило, имеет хорошую шаровидную форму. Порошки, полученные путем распыления водой, часто имеют угловатую форму и хуже текут. Распределение частиц по размерам также имеет важное значение. Узкое распределение частиц по размерам с минимальным содержанием мелких фракций улучшает текучесть. Мелкие частицы имеют склонность к агломерации и могут ухудшать текучесть. Важными характеристиками являются плотность упаковки и плотность уплотнения.

Текучесть порошков играет решающую роль не только при хранении, но и при розливе и упаковке. В современных розливных установках, например при упаковке растворимого чая в пакетики, процессы происходят с очень высокой скоростью. Такая скорость возможна только при равномерной текучести порошка. Кроме того, он должен быть практически без пыли. В противном случае могут возникнуть проблемы с герметичностью упаковки. Мелкая пыль на шве упаковки препятствует плотному закрытию.

Внутризаводская логистика на предприятиях по переработке порошков также зависит от достаточных текучести. Производственные процессы могут быть автоматизированы только в том случае, если все используемые порошки обладают определенными текучими свойствами.

Химические и фармацевтические активные вещества в виде порошков (API) имеют в некоторых случаях крайне плохие текучие свойства, если состоят из микродисперсных частиц. Это особенно относится к активным веществам, полученным в результате многоступенчатых синтезов с использованием нанодисперсных частиц. Они могут даже прилипать к гладким поверхностям из нержавеющей стали. Даже такие текучие свойства можно улучшить. Одним из способов является целенаправленное добавление небольших количеств антислеживающих веществ, таких как пирогенная кремнеземная кислота (Aerosil). В качестве альтернативы размер частиц можно целенаправленно увеличить путем агломерации.

Для характеристики текучих свойств существует множество методов измерения. На рынке доступны различные приборы и системы:

• Приборы Ringscher от Dietmar Schulze Schüttgutmesstechnik Эти приборы, такие как RST-XS.s и RST Mk II, точно измеряют текучие свойства, такие как внутреннее трение, уплотнение со временем и трение о стенки. Они особенно подходят для проектирования силосов и характеристики сыпучих материалов, таких как мука, фармацевтические порошки или цемент. Dietmar Schulze+2Dietmar Schulze+2Dietmar Schulze+2
• FT4 Pulverrheometer от Freeman Technology Универсальное устройство для определения реологических свойств порошков. Оно позволяет проводить измерения в различных условиях, включая затвердевшие, вентилируемые или флюидизированные состояния, и предоставляет исчерпывающие данные о поведении порошков.
• Приборы для испытания текучести гранул серии GT от ERWEKA Эта серия включает в себя приборы, которые предлагают различные методы измерения для определения текучести порошков и гранул. С их помощью можно, в частности, измерить угол насыпания с помощью лазерной технологии.
• Прибор для испытания текучести порошков PF1 от SOTAX Гибкий прибор для определения текучести порошков и гранул. Он сочетает в себе три стандартизированных метода испытаний в одном приборе и позволяет проводить простые, повторяемые испытания.
• Тестер порошков от Pharma Test Apparatebau AG PTG-S5 — это автоматический прибор для испытания текучести порошков, предназначенный для измерения текучести гранул и порошков различных фармацевтических веществ. Возможна комбинация с встроенным спектрометром с матрицей диодов NIR.