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Reología de Materiales en Polvo

La reología de los materiales en polvo consiste en el estudio del comportamiento de los polvos como conjuntos a granel, que están formados por sólidos, líquidos y gases. Permite a los usuarios medir los flujos dinámicos y las propiedades de corte de los polvos, así como la cuantificación de propiedades de los materiales, como la densidad, la compresibilidad y la permeabilidad.
La reología de polvos se utiliza en una amplia gama de industrias para apoyar el desarrollo y la fabricación de nuevos productos. Al invertir en un reómetro para polvos, los lugares de fabricación pueden finalmente establecer la comprensión de sus procesos y operaciones unitarias basadas en la correlación entre las mediciones de las propiedades del polvo y el rendimiento del proceso.

¿Por qué los materiales en polvo son complejos?
Las Tres Fases de los Materiales en Polvo
Ya sea como materias primas, como productos intermedios o como productos finales, los polvos forman parte de una amplia gama de procesos industriales, contribuyendo a un 80% de todos los productos manufacturados. Sin embargo, a pesar de su amplia presencia, continúan presentando desafíos durante el desarrollo del producto final, su fabricación y durante la garantía de su calidad. A menudo, los polvos se etiquetan como “malos”, cuando sería más preciso decir que simplemente no entendemos cómo se están comportando. Una buena comprensión de la reología de los materiales en polvo, o comportamiento de los polvos, es una base esencial para optimizar los procesos de producción y desarrollar un producto de alta calidad. Las secciones que siguen introducen los desafíos asociados con la predicción de la fluidez de los polvos y cómo comprender que el conocimiento del comportamiento de un polvo puede beneficiar el rendimiento de un proceso. Los polvos son más que sólo partículas, son materiales únicos que consisten en tres fases distintas. Comprenden sólidos en forma de partículas, aire entre las partículas y, a menudo, agua en la superficie de, o dentro de la partícula.


Hay una idea errónea común acerca de que el comportamiento de un polvo se puede describir simplemente comprendiendo la fluidez del polvo y de que esa fluidez es una propiedad discreta que se puede cuantificar con un solo número.
Lamentablemente, ninguno de estos supuestos es correcto, lo que explica por qué hasta el siglo 21 todavía no poseemos una comprensión fundamental de la reología de polvos. Considere un polvo suelto empacado en un frasco de vidrio y visualice su comportamiento mientras el frasco se tumba. Luego considere cuán diferente se comportaría si al frasco primero se le da un número de veces golpecitos sobre una superficie dura. Cualquier diferencia en el comportamiento entre un estado de libre empaquetado a un estado compactado se debe a las características del polvo. Si el polvo era arena seca, entonces se comportaría de forma similar antes y después del golpeado para compactarla. Sin embargo, si el polvo era harina, por ejemplo, fluiría de manera muy diferente después de haber sido compactada. Esto es una característica importante y una muy típica de los polvos.

En cada uno de los estados ilustrados arriba, las propiedades físicas y químicas de las partículas son las mismas, pero la manera en que el polvo fluye es muy diferente, simplemente como resultado de cambiar el contenido de aire y el estrés de contacto entre las partículas.

La Influencia de las Variables Externas
Como se ilustra en el ejemplo anterior, los polvos pueden comportarse de manera muy diferente cuando están totalmente aireados, envasados en forma suelta o consolidados. Algunos polvos son extremadamente sensibles a estas variables mientras otros lo son menos. Un polvo determinado podría fluir bien cuando esta aireado y se lo empaquetó de manera suelta, pero se convierte en un problema real si está consolidado (tóner, por ejemplo). Un polvo diferente podría exhibir propiedades de flujo razonables cuando se empaqueta de manera suelta, no verse demasiado afectado por la consolidación, sino que muestran mejoras reales en las propiedades de flujo después de la aireación. Teniendo en cuenta esta observación, parece poco probable que se pueda usar un solo número para cuantificar completamente la fluidez de un polvo, o que describa la respuesta de un polvo a un amplio rango de niveles de aireación y consolidación que el polvo experimentará durante el procesamiento y la aplicación.
El grado del estrés de consolidación y del contenido de aire son dos de las variables más influyentes en lo que respecta a las propiedades de flujo. Sin embargo, el comportamiento del polvo y la fluidez del polvo también se ven afectados por la velocidad a la que se procesa, tanto durante el mezclado o cuando se encuentra en una línea de llenado, por ejemplo, así como por otras variables, como el nivel de humedad ambiental y el tiempo de almacenamiento. Un polvo que en determinado momento se desempeñaba bien, puede exhibir un comportamiento deficiente si se mantiene en almacenamiento, o si se procesa en un ambiente con una humedad ligeramente mayor de lo normal.

El control de ciertas variables puede ser relativamente simple, pero los cambios en el contenido de aire y el estrés de la consolidación generalmente son inevitables durante el procesamiento. Incluso los canales de transferencia más básicos tienen el potencial de airear y consolidar el polvo que se mueve a través de ellos La aireación se produce a medida que el polvo se dilata, con las partículas que se separan aún más, y esto ocurre en muchos procesos, incluidas las operaciones de mezcla, llenado y descarga, aunque no se esté aplicando un suministro de aire externo, como sucedería en el transporte neumático.
Reconocer que cualquiera de estas variables externas tiene el potencial de cambiar la forma en que el polvo se comporta es el primer paso para tener una mejor comprensión del funcionamiento del proceso. Poder medir la respuesta del polvo a cada variable externa proporciona por lo tanto la habilidad de entender la reología de los polvos, es decir, por qué un polvo se comporta de una cierta manera, y así tener la posibilidad de optimizar la eficiencia tanto de la formulación como de la manufactura.

Mecanismos de Interacción entre las Partículas
Se puede obtener más información sobre el comportamiento del polvo a granel al comprender los mecanismos de interacción que existen entre las partículas. Hay una serie de efectos que contribuyen a la facilidad de movimiento de una partícula en relación con otra. Comprender cada efecto, y cómo pueden ser diseñados para que actúen en nuestra ventaja brinda una gran oportunidad tanto en el desarrollo de productos como en la optimización del proceso.

Mecanismos que restringen el movimiento de las partículas:

Fricción
Las partículas con una superficie más lisa generalmente tendrán una menor interacción por fricción y fluyen más fácilmente que aquellas que son más rugosas, asumiendo que todas las demás características son idénticas.

Trabas mecánicas
Las partículas de una cierta forma pueden trabarse mecánicamente y ofrecer resistencia al flujo.

Fuerzas de cohesión inter-partículas
Las fuerzas inter-partículas actúan tanto entre las partículas en contacto como entre las partículas cercanas.

Puente líquido
Los líquidos tienen la habilidad de formar puentes entre las partículas, creando uniones capilares y reduciendo la independencia de las partículas.
Todos los mecanismos anteriores, actúan para restringir la independencia partícula-partícula, y en general, cuanto más fuertes sean sus influencias, más pobre resultará la fluidez. Sin embargo, los polvos con altos niveles de cohesión, morfología irregular y alta fricción de la superficie todavía se pueden observar fluyendo, por lo que existe claramente una fuerza impulsora significativa que hace que las partículas se muevan.

Mecanismos que promueven el movimiento de las partículas:

Gravedad
Las fuerzas gravitacionales son a menudo las únicas fuerzas impulsoras que actúan sobre las partículas.
Ignorando por un momento que las partículas en movimiento tienen inercia, la fuerza impulsora principal que actuará sobre una partícula estacionaria empacada en forma suelta es debido a la gravedad- su peso. Por lo tanto, la capacidad de una partícula para comenzar a fluir depende en gran medida de la fuerza gravitacional que actúa sobre ella. Es por esta razón que los polvos que contienen partículas de un tamaño grande, o que consisten en materiales que tengan una alta densidad, tienden a fluir mejor cuando se empaquetan sueltos, debido a que la masa individual de las partículas y por lo tanto la fuerza gravitacional que actúa sobre ellas, es alta.
El comportamiento del polvo a granel está influenciado por todos los mecanismos de interacción entre las partículas. Sin embargo, la influencia de cada uno dependerá de las propiedades del polvo y de las condiciones del medio ambiente / proceso impuestas.
La relación de fuerza entre todas las fuerzas restrictivas y la fuerza impulsora de la gravedad es lo que determina si las partículas pueden moverse independientemente o si existirán como parte de un aglomerado. En este último caso, el flujo a granel está influenciado por la masa del aglomerado y su relación con los aglomerados circundantes.

Existe una idea errónea común acerca de que los polvos con tamaño de partículas pequeño tienen fuerzas cohesivas más fuertes, pero este no es necesariamente el caso. Aquí, las fuerzas gravitacionales que actúan sobre la partícula son pequeñas porque la masa de las partículas individual es baja, y, por lo tanto, el valor relativo de la fuerza cohesiva respecto de la fuerza de gravitación es alto, aun cuando el valor absoluto de la fuerza cohesiva podría ser bajo.
Un polvo que consiste en partículas principalmente esféricas estará optimizado en términos de su dependencia con la forma de la partícula. Por lo tanto, las propiedades que pueden variar, como la textura de la superficie de las partículas, la extensión de la lubricación, el contenido de humedad, o la densidad verdadera del material darán una estrategia para optimizar las propiedades del polvo a granel. Un polvo que es muy cohesivo puede fluir mejor si se incrementa su contenido de humedad libre, ya que el agua adicional en la superficie de las partículas actúa como un conductor eléctrico y permite disipar parte de la fuerza cohesiva. Sin embargo, demasiada humedad libre puede resultar en una unión capilar entre partículas y el flujo se verá comprometido por el aumento de la adherencia partícula- partícula.
También deben considerarse la influencia y la importancia de cada mecanismo con respecto al entorno del proceso y a las condiciones a las que se está exponiendo el polvo. Cuando los polvos están empaquetados en forma suelta, las fuerzas cohesivas están en su forma más influyente, dictando la independencia de cada partícula entre sí. Sin embargo, cada vez que se consolida el polvo, como en una tolva o un alimentador, las fuerzas de fricción y las que se deban al bloqueo mecánico son mucho más dominantes, debido al hecho de que las partículas se ven forzadas en forma conjunta. En estas circunstancias, el número de puntos de contacto, la presión de contacto y, dependiendo de la elasticidad de las propias partículas, el área de contacto aumentará. La cohesión aún existe, pero sólo representa una fracción de las fuerzas que restringen el movimiento independiente partícula – partícula.
Comprender la reología de polvos, la influencia recíproca entre los mecanismos de interacción entre las partículas y las condiciones impuestas por el proceso o la aplicación es un paso clave para optimizar una formulación o un proceso. Los polvos cohesivos se pueden procesar de manera eficiente si el diseño y la configuración del proceso son optimizados para un polvo cohesivo. De hecho, un polvo menos cohesivo puede funcionar mal en el mismo proceso. Para llegar al procesamiento eficiente de un polvo no se trata de diseñar el polvo menos cohesivo, sino que se trata sobre la optimización de las características del polvo para el proceso o la aplicación de interés.
A permitirnos la evaluación y optimización de todas estas variables están dedicados los equipos de Micromeritics – Freeman Technology:
FT4 – Reómetro para Polvos
UPT – Analizador de Polvos Uniaxial

Soluciones Para el Análisis de Materiales en Polvo

Freeman Technology, una empresa de Micromeritics, se especializa en sistemas de análisis de polvos para cuantificar las propiedades de flujo de los polvos y tiene casi 20 años de experiencia en la evaluación del flujo de los polvos y su caracterización. Un equipo de expertos proporciona un soporte integral sobre todos los productos de la compañía.

FT4 – Reómetro para Polvos

El Reómetro para Polvos FT4, el producto estrella de Freeman Technology, es un analizador universal de polvos.
Además de la metodología dinámica única, donde se mide la resistencia al flujo de un polvo, mientras que el polvo está en movimiento, el FT4 también incluye una celda de corte para medir la resistencia al cizallamiento del polvo, un kit de fricción de pared para cuantificar la fuerza de cizallamiento del polvo con respecto a las superficies de los equipos de proceso (de acuerdo con la norma ASTM D7891), así como los accesorios para medir las propiedades de los materiales en polvo, como la densidad, la compresibilidad y la permeabilidad.
El amplio rango de capacidades de medición que proporciona el FT4 lo convierte en el instrumento de análisis de polvos más versátil del mundo para medir y comprender el flujo de los polvos y el comportamiento de los mismos. Permitiendo así estudiar y optimizar los factores que afectan las propiedades de flujo de este tipo de materiales.

UPT – Analizador de Polvos Uniaxial

El Analizador de Polvos Uniaxial (UPT) proporciona una medida precisa y robusta de la resistencia uniaxial al esfuerzo aplicado sobre el material, lo cual es directamente proporcional a su capacidad de fluir.
Este parámetro (uUYY, por sus siglas en Inglés) es ampliamente utilizado para evaluar y clasificar la fluidez en polvo.
El UPT también cuantifica propiedades fundamentales del polvo que incluyen la densidad y la compresibilidad a granel.
Es un dispositivo rápido, confiable y fácil de usar que ofrece gran valor a científicos, ingenieros de procesos y analistas de control de calidad que trabajan en una amplia gama de industrias de manejo de sólidos a granel.
El UPT ofrece una solución de análisis de polvos de bajo costo.

Para mayor información consultar a:
www.microanalitica.com.ar
Macedonio Fernández 5740 (1431) – C.A.B.A. Tel: (011) 4546-1525
[email protected]

 


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