Reologia delle polveri

Le polveri sono materiali unici costituiti da 3 fasi distinte:

• particelle
• aria tra le particelle
• e spesso, acqua all’interno o sulla superficie delle particelle

Si commette spesso l’errore di pensare che il comportamento delle polveri possa essere descritto esclusivamente in termini di scorrevolezza e addirittura che questa possa essere quantificata con un solo numero.
Immaginiamo un bicchiere riempito di polvere e il suo comportamento di scorrevolezza quando il bicchiere viene rovesciato. Immaginiamo che il bicchiere venga sbattuto diverse volte sul tavolo: se la polvere fosse sabbia secca, il comportamento sarebbe identico prima e dopo aver sbattuto il bicchiere, se invece la polvere fosse farina, i comportamenti di scorrevolezza prima e dopo aver sbattuto il bicchiere sarebbero molto diversi. In ogni stato (compresso o meno), le particelle hanno lo stesso stato chimico-fisico, però scorrono diversamente semplicemente perché la quantità d’aria e le interazioni tra particelle sono diverse.

Considerando quest’osservazione, sembra improbabile che un singolo numero possa descrivere pienamente il comportamento di scorrevolezza di una polvere, vista l’ampia gamma di livelli di aerazione e di consolidamento che la polvere può adottare durante le varie fasi del suo processo e della sua applicazione.

Influenza delle variabili esterne

Il grado di consolidamento e l’aerazione sono le 2 variabili più influenti sulla scorrevolezza delle polveri. Il comportamento di una polvere viene anche influenzato dalla velocità alla quale viene processata, ad esempio durante le fasi di miscelazione oppure o in una linea di riempimento. Giocano anche un ruolo l’umidità ambientale e la durata dello stoccaggio. Una polvere dalla scorrevolezza ottima potrebbe scorrere male se stoccata per un certo tempo oppure se processata in un ambiente con un’umidità leggermente superiore al solito.

Certe variabili sono relativamente semplici da controllare, ma le variazioni del contenuto d’aria e dello stress causato dal consolidamento sono inevitabili, e intervengono in numerosi processi come la miscelazione, lo scarico, la caduta, il riempimento, la veicolazione, etc. Riconoscere la potenziale influenza di queste variabili esterne sul comportamento della polvere è fondamentale per una migliore comprensione delle prestazioni del processo. Misurare la risposta della polvere a ogni variabile esterna consente di capire il motivo per cui una polvere si comporta in un certo modo, e fornisce la possibilità di ottimizzare sia la formulazione che l’efficienza della produzione.

Influenza delle proprietà delle particelle

Il comportamento di una polvere viene anche influenzato da alcune proprietà delle particelle stesse. La dimensione e la distribuzione granulometrica sono importanti, ma non solo:

• Dimensione, granulometria
• Forma delle particelle
• Superficie, rugosità
• Area superficiale
• Densità
• Coesione
• Adesione
• Elasticità
• Plasticità
• Porosità
• Igroscopia
• Durezza/friabilità
• Contenuto amorfo
• Carica elettrostatica

Tutte queste proprietà vanno spesso valutate in termini di distribuzione piuttosto che come variabili singole.

Interazioni tra particelle

Un’ulteriore conoscenza del comportamento delle polveri può essere ottenuta attraverso la comprensione dei meccanismi di interazione che esistono tra le particelle. Esistono diversi effetti che contribuiscono alla facilità di movimento di una particella rispetto a un’altra. Capire questi effetti, e come possono essere progettati per utilizzarli a proprio vantaggio, può essere decisivo sia nello sviluppo del prodotto che nell’ottimizzazione dei processi.

Effetti che si oppongono allo scorrimento:

Attrito
Le particelle con una superficie liscia avranno generalmente un’interazione con minore attrito e fluiranno più facilmente di particelle più ruvide, assumendo che tutte le altre caratteristiche delle particelle siano identiche.

Blocco meccanico tra le particelle
Particelle con una certa forma possono bloccarsi tra di loro e resistere allo scorrimento.

Forze di coesione tra particelle
Queste forze vengono osservate tra particelle in contatto o in prossimità l’una con l’altra.

Ponte liquido (liquid-bridging)
La presenza di liquido nella polvere può colmare lo spazio tra le particelle, creando dei legami capillari e riducendo l’indipendenza del movimento delle singole particelle.

Effetti che favoriscono lo scorrimento:

Gravità
Le forze gravitazionali sono spesso l’unica forza motrice che agisce sulle particelle.
Polveri contenenti particelle di grandi dimensioni, o costituite da materiale con un’elevata densità, tendono a fluire meglio quando poco compresse, visto che la loro massa, e quindi la forza gravitazionale che agisce su di esse, è alta.

Il rapporto tra forze restrittive e forze che promuovono il movimento determina se le particelle si muoveranno singolarmente o come aggregati più grandi.

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Metodologia dinamica brevettata

La metodologia dinamica, integrata nei reometri della Freeman Technology®, è una tecnica brevettata che viene utilizzata sulla polvere in movimento per misurarne la resistenza allo scorrimento.

A delle lame di precisione o alette viene imposto un movimento di rotazione attraverso la polvere, associato ad un movimento verso il basso o verso l’alto al fine di stabilire un modello di flusso preciso.

L’associazione di questi movimenti di rotazione e spostamento genera l’interazione tra particelle e il loro scorrimento, e la resistenza che incontrano le alette rappresenta le proprietà di scorrimento della polvere.

Il reometro misura sia la resistenza rotazionale che verticale, rispettivamente definite come Torque e Force. L’associazione di questi 2 valori quantifica la resistenza totale della polvere allo scorrimento.

Il Torque e la Force vengono misurati per ogni millimetro di corsa delle alette attraverso il campione per ottenere l’Energy Gradient in mJ/mm.

Work Done = Energy = (Resistance x Distance travelled)
Energy Gradient = Energy per mm of blade travel

Il calcolo dell’area sotto la curva dell’Energy gradient fornisce la Total Flow Energy, ovvero la resistenza della polvere allo scorrimento in uno stato dinamico.

Per quantificare lo scorrimento vanno utilizzati generalmente 2 modelli di scorrimento:

• Scorrimento forzato (o confinato)

Misura della scorrevolezza della polvere quand’è forzata a scorrere come attraverso una coclea o un sistema di alimentazione. Si ottiene la Basic Flowability Energy, BFE, misurata durante il movimento delle alette verso il basso.

• Scorrimento a basso stress (o non confinato)

Misura della scorrevolezza della polvere quand’è libera di scorrere, come durante un riempimento o un blending a basso shear. Si ottiene la Specific Energy, SE, misurata durante il movimento delle alette verso l’alto.

Qui di seguito le altre proprietà e variabili esterne misurabili con la Metodologia dinamica brevettata della Freeman Technology®:

• aerazione Aerated Energy, AE
• consolidamento Consolidation Energy, CE e Consolidation Index, CI
• sensibilità alla velocità di flusso
• shear (shear cell e wall friction)
• densità, compressibilità, permeabilità
• caking, umidità, segregazione, attrito, carica elettrostatica, agglomerazione
• design automatico di Hopper grazie ad un software dedicato

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Immagini riprodotte con l’autorizzazione di Freeman Technology Ltd