Schüttgüter sind schwer zu beschreiben. In der Pulvertechnologie werden mehr als 30 Kenngrößen verwendet. Zur Charakterisierung von Schüttgütern gehören z.B. Eigenschaften wie Kornform, Korngrößenverteilung, Feuchte und Schüttdichte. Von besonderer Bedeutung sind aber auch die Staubigkeit und das Fließverhalten.
Fließhilfsmittel, Rieselhilfe, Anticaking Aid im Pulver mischend verteilen
Beispielsweise sollen kleine Mengen eines Farbpigments ausreichen, um mehrere Tonnen Fassadenputz gleichmäßig einzufärben. Kleine Mengen einer Gewürzmischung sollen ausreichen, um veganen Frikadellen einen Fleischgeschmack zu verleihen.
Neben der Wirksamkeit eines Pulvers/ Pulvergemisches sind aber auch sekundäre Eigenschaften wichtig. Beispielweise dann, wenn die Pulver industriell verarbeitet werden. Wenn Instantgetränkemischungen wie Cappuccino oder Eistee in Sachet abgefüllt werden. Wenn Tee in Portionsbeutel abgefüllt wird, dann findet der Füllvorgang mit hoher Geschwindigkeit statt. Das Pulvergemisch muss gleichbleibend fließfähig und dosierbar sein. Darüber hinaus muss das Gemisch so staubfrei wie möglich sein, anderenfalls würde die Versieglung der Sachets nicht gelingen.
Pulver können staubarm gemacht werden, wenn sie zu stabilen Agglomeraten vergrößert werden. Sie fließen dann in der Regel besser. Pulver können auch durch Befeuchtung staubarm gemacht werden. Je feuchter sie sind, desto schlechter fließen sie. Häufig sollen auch flüssige Wirkstoffe in einer Mischung verteilt werden. Dann muss jedes Teilchen mit einem proportionalen Anteil der Flüssigkeit benetzt werden. Auch dies verschlechtert in der Regel das Fließverhalten des Pulvers. Die flüssige Phase begünstigt das Zusammenkleben der Partikel. Es kann ungewollt zu Verklumpungen kommen.
Die Form des Schüttkegels gibt erste Hinweise
Es gibt viele Methoden, um die Fließfähigkeit von Pulvern zu bestimmen. Eine besonders einfache Methode kann für eine erste Abschätzung verwendet werden. Man bestimmt die Schüttkegelhöhe. Das Pulver rieselt durch ein Sieb auf einen Metallzylinder und bildet einen Schüttkegel. Der Schüttkegel erhöht sich, bis die Schwerkraft größer ist als die Kohäsionskräfte. Dann rutschen die Partikel aneinander ab. Die Steilheit des Schüttkegels ist ein Maß für die Kohäsion des Pulvers. Ein flacher Schüttkegel zeugt von guter Fließfähigkeit des Pulvers.
Das Jenike-Scherverfahren ist eine professionelle Methode zur Messung von Fließeigenschaften, wenn sich Pulver in mehraxigen Spannungszuständen befinden (Silotechnik).
Ein simpler Indikator für das Fließverhalten ist der Böschungswinkel: a) schlechteres Fließverhalten, b) besseres Fließverhalten
Ein Partikelkollektiv wird gemischt und benetzt. Die Flüssigkeitsmenge nimmt zu von 1 bis 4
Bindemechanismen innerhalb von Partikelkollektiven
Betrachtet man ein Partikelkollektiv, so wirkt zunächst die Gravitation auf jedes einzelne Partikel. In den unteren Schichten addieren sich diese Verdichtungskräfte entsprechend der Haufwerkshöhe. Gleichzeitig entwickeln die Teilchen untereinander Adhäsionskräfte. Dies sind Kräfte, die aus Flüssigkeitsbrücken resultieren. Van-der-Waals-Kräfte und elektrostatische Kräfte sind besonders groß, wenn die Partikel klein sind. Wenn die Partikel sehr klein werden, dominiert die Summe dieser interpartikulären Kräfte bei weitem die Scherkraft.
Agglomerate können insbesondere durch Feuchtigkeit und Scherung entstehen.
Partikelgröße und Staubgehalt
Je mehr Partikel miteinander in Berührung sind, desto größer sind die Interpartikulären Kräfte. Die Haftkräfte nehmen immer mehr zu, je feindisperser ein Schüttgut vorliegt. Dieser Zusammenhang ist signifikant. Denn die Anzahl der Partikelkontakte ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Partikelgröße.
Wenn die Umgebungsluft eine relative Feuchte von 50 % und mehr aufweist, dann können hydrophile Pulverpartikel Wasser anlagern. Das geschieht im Form von ein- und mehrmolekularen Adsorptionsschichten. Wenn sich diese Adsorptionsschichten mehrerer Partikel (punktweise) berühren kommt es zur Kapillarkondensation. Das Wasser bildet Flüssigkeitsbrücken und kann besonders große Haftkräfte zwischen den Partikeln bewirken. Agglomerationsprozesse können in dieser Form eingeleitet werden. Wenn Agglomeration vermieden werden soll, dann muss der Abstand der Pulverpartikel zueinander größer werden. Das kann man erreichen, wenn die Pulverpartikel mit einem Fließhilfsmittel ummantelt werden.
Variierende Partikelgrößen lassen unterschiedliche Bindemechanismen wirksam werden. (1) Flüssigkeitsbrücke; (2) van-der-Waals-Kräfte, (3) elektrostatische Kräfte, (4) Gewichtskraft
Zwei unterschiedlich wirkende Rieselhilfen: links hydrophob, rechts hydrophil.
Was können Fließhilfsmittel bewirken?
Sie können:
Das Fließverhalten wird verbessert
Verbackungen und Klumpen werden vermieden
Das Pulver erscheint trockener als es ist
Zwei unterschiedlich wirkende Rieselhilfen:
c. hellblaue Partikel sind mit einer blauen Flüssigkeit benetzt. Eine Flüssigkeitsbrücke bindet zwei Partikel aneinander.
d. nach Zugabe und Vermischung einer kleinen Menge Fließhilfsmittels wird die benetzende Flüssigkeit ummantelt. Fließhilfsmittel und Flüssigkomponente haben keine Affinität zueinander. Beide Partikel sind nun voneinander getrennt.
e. braune Partikel sind mit einer türkisfarbenen Flüssigkeit benetzt. Eine Flüssigkeitsbrücke bindet zwei Partikel aneinander.
f. nach Zugabe und Vermischung einer kleinen Menge Fließhilfsmittels wird die benetzende Flüssigkeit absorbiert. Fließhilfsmittel und Flüssigkomponente haben sehr hohe Affinität zueinander. Beide Partikel sind nun voneinander getrennt.
Der Einsatz von Fließhilfsstoffen sollte nur dann in Betracht gezogen werden, wenn ein Pulver so unzuverlässig fließt,
- dass die innerbetriebliche Produktionslogistik behindert wird oder
- wenn die automatisierte Pulververarbeitung behindert wird oder
- wenn Hochleistungs-Verpackungsmaschinen blockieren oder
- wenn der Produktaustrag aus Silos, Bigbags oder Schüttgutcontainern blockiert
- wenn ein Schüttgut dazu neigt zu verklumpen, wenn es sich in Ruhe befindet (Zeitverfestigung)
Fließhilfsstoffe (andere Bezeichnungen sind auch Rieselhilfen oder Anticaking Aid) sind Pulver mit sehr geringer Dichte, die besonders fein dispergiert sind. Dadurch sind sie äußerst ergiebig. Ihre spezifische Oberfläche ist sehr groß. Sie kann über 500 m²/g betragen. Sehr kleine Mengen können pulverförmige Güter effektiv umhüllen. Zwischenpartikuläre Kräfte werden reduziert, Flüssigkeitsbrücken verschwinden und das Produkt fließt wie gewünscht.
Fließhilfsmittel wie Magnesiumsilikat, Calciumsilikat, Siliciumdioxid (andere Bezeichnungen sind auch Kieselgel, Kieselsäure oder Silicagel) sind jedoch äußerst druck- und scherempfindlich. Werden sie intensiv in Schüttgüter eingemischt, geht ihre Antihaftwirkung verloren. Das Fließhilfsmittel muss daher "minimalinvasiv", d.h. mit geringem Energieeintrag, im Schüttgut verteilt werden. Trotzdem muss das Fließhilfsmittel alle Partikel des Schüttguts umhüllen.
Fließ-/Rieselhilfsmittel werden dem Schüttgut nur in Anteilen von 0,001 oder 0,002 Gewichtsprozent zugegeben. Dies macht die Mischaufgabe anspruchsvoll.
amixon® Doppelwellenmischer arbeiten besonders effizient. Die Mischwerkzeuge rotieren niedertourig. So bleibt die Struktur der Partikel erhalten.
Die Verteilung von Rieselhilfsmitteln in Schüttgütern ist sehr anspruchsvoll. Mehrere Zielkonflikte sind zu überwinden:
- Das Rieselhilfsmittel sollte möglichst nicht deklarationspflichtig sein. Dies ist insbesondere in der Lebensmittelindustrie erwünscht.
- Rieselhilfsmittel sollten nur in geringsten Dosierungen eingesetzt werden, z.B. nur 0,001 Gew.-%.
- Rieselhilfen sind sehr leichte Pulver. Sie neigen dazu, auf der Pulvermischung „aufzuschwimmen“.
- Rieselhilfsmittel sind nur wirksam, wenn sie homogen in der Pulvermischung verteilt sind.
- Die Partikelstruktur von Rieselhilfsmitteln ist komplex und äußerst empfindlich.
- Rieselhilfsmittel sind nur wirksam, wenn sie ungestresst, d.h. nicht verdichtet und nicht geschert sind.
Möglichst alle Partikel des Schüttgutgemisches werden ummantelt.
amixon® hat sich seit vielen Jahren mit diesen und ähnlichen Aufgabenstellungen beschäftigt und besonders effektive Lösungen entwickelt. amixon® Mischer sind für solche Mischaufgaben hervorragend geeignet. Schüttgüter werden mit einem Minimum an Rieselhilfsmitteln fließfähig gemacht. Dies gelingt auch bei Chargengrößen von mehreren Kubikmetern. Diese anspruchsvolle Verfahrensaufgabe wird in amixon®-Mischern optimal schonend und in kurzer Mischzeit hervorragend erfüllt. Unsere Kunden sind immer wieder überrascht und begeistert, wenn wir das Verfahren im Technikum vorführen.
amixon®Testmischer verschiedenster Baugrößen stehen zur Verfügung: 10 Liter, 100 Liter, 400 Liter, 1000 Liter, 2000 Liter und 3000 Liter.
amixon® Doppelwellenmischer. Ideale, schonende Mischwirkung mit minimalem Energieaufwand
"Dry Liquid"
Die Struktur der Partikeloberfläche zeichnet sich aus durch das Vorhandensein vieler Kapillare. Die Partikel der Fließhilfsmittel verfügen über extrem große Oberflächen - bis zu 500 m²/Gramm. Insofern können Fließhilfsmittel auch verwendet werden, um große Menge Flüssigkeit aufzunehmen (bis zum dreifachen ihres Eigengewichtes) und zu binden. Man spricht von „trockener Flüssigkeit“. amixon® Mischer sind aufgrund ihrer schonenden Arbeitsweise besonders gut geeignet, dry liquids herzustellen.
Vereinzelt erzeugt man „dry liquids“, um kritische Pulver zu befeuchten und deren Agglomeration zu unterdrücken. Diese Methode des Pulverbenetzens funktioniert ohne Flüssigstoff-Sprühsysteme.
Benetzungsvorgang. Zu sehen sind hier die ruhende Flüssigkeit im Zentrum, das trockene Pulver am Rand und die langsam fortschreitende Benetzung. Das Benetzungsverhalten von Fließhilfsmitteln ist total anders. Innerhalb von Sekunden würde die gesamte Flüssigkeit absorbiert. (Flash-Absorption)
© Copyright by amixon GmbH