
润湿过程特别困难,当液体具有高粘度且粉末具有非常小的颗粒时。
粉末混合背景下的液体流变学
在这篇博客文章中,我们将探讨粉末润湿的一个核心方面:不同液体流变特性对混合结果的影响。流变学在很大程度上决定了液体的流动方式、在剪切应力下的行为以及润湿粉末颗粒的能力。这些关系直接影响到润湿粉末的外观——其流动性、混合物的均匀性、形成团聚的倾向以及原始颗粒形状和大小的保持。
为了均匀地润湿粉末,所有颗粒都必须获得与它们的比表面积相匹配的液体层。因此,混合过程的目标是将少量和大量液体均匀地分布在粉末的巨大总接触面积上。混合过程结束后,不得出现过度湿润或干燥区域。可实现的产品质量主要取决于定义的液滴尺寸、精确的配料策略和适当的混合能量之间的相互作用。在这方面,了解润湿液体的化学和物理特性非常有利。
黏度與溫度依賴性
動態黏度 η 描述了液體對剪切或變形的抵抗力,是混合行為的一個關鍵參數。對於許多低至中黏度的液體,其黏度的溫度依賴性可以用阿累尼烏斯方程式近似描述:
η(T) = η0 * exp ( Eη / (R * T) )
其中
η … 動態黏度
η0 … 材料常數(參考溫度下的黏度)
Eη … 流動過程的活化能
R … 普遍氣體常數
T … 絕對溫度(以開爾文為單位)
隨著溫度上升,大多數有機液體的黏度會顯著降低,因此,通過適度加熱,高黏度成分(如卵磷脂、糖蜜、蜂蜜、油樹脂或某些植物油)更易於泵送、精細計量和在混合室中分散。在許多情況下,粘度變化是可逆的,但對於結構複雜的液體(例如乳液、濃糖溶液或結構粘性系統),熱或機械誘導的結構變化可能會導致滯後效應,導致加熱和冷卻時的流動特性不相同。
牛顿流体
对于牛顿流体,其粘度与剪切速度无关:
τ = η * γ˙,η = 常数
典型的例子包括水、许多食用油和高度稀释的溶液。其流动特性呈线性,且易于计算。表面张力可被可靠地表征。不会出现粘弹性效应。粘度仅随温度变化而变化。
因此,牛顿流体在混合过程中特别容易控制。它们能够实现可重复且均匀的润湿——前提是剂量和液体添加方式设计正确。
剪切稀释或假塑性液体
剪切稀释或假塑性液体在剪切速度增加时,其表观粘度会降低。其行为通常可通过奥斯特瓦尔德-德瓦勒模型或幂律模型来描述。这些液体通常非常易于喷雾。它们可以在单组分或多组分喷嘴(雾化喷嘴)中进行喷雾。
τ = K * γ˙n ; n < 1
其中
γ˙ … 剪切速度
K … 稠度指数
n … 流动指数(剪切稀释度)。
番茄酱、许多凝胶剂、多糖溶液和许多乳液都是这样的例子。在混合室的高局部剪切条件下,这些液体变得更稀薄,更容易在粉末表面分布。同时,它们在静止状态下仍然具有足够的粘度,以减少沉降或分离。
左侧所示的 amixon® 锥形混合器可进行连续混合。它安装在称重传感器上。通过重力计量,多种粉末和一种液体成分流入锥形混合器。排料装置位于底部。它可连续排出混合物,从而保持填充度恒定。通过这种方式,粉末得到非常轻柔的混合和均匀的润湿。AMK 600 连续式混合机的设计处理能力为 12 至 15 立方米/小时。
剪切增稠(膨胀)液体
对于剪切增稠(膨胀)液体,随着剪切速度的增加,表观粘度也会增加。因此,它们对快速运动和高局部剪切力非常敏感。此类介质应尽可能缓慢处理,并尽量减少剪切应力。
τ = K * γ˙n ; n > 1
剪切增稠行为是淀粉悬浮液和高浓度分散液的典型特征。如果快速输送这些材料,其粘度可能会急剧上升。在实践中,当剪切增稠液体处于松弛、低粘度的状态下进入强烈的粉末湍流区时,通常会获得良好的混合效果。在粉末混合机中,在膨胀粘度上升之前,它会以这种方式被精细地分散。
环层混合器也可用于连续分配剪切增稠液体。混合室由一个水平布置的管道组成。管道内有一个快速旋转的混合工具。高转速产生了一个由压缩粉末颗粒组成的稳定环层。在这个区域,强烈的湍流和强烈的剪切力起作用。环层混合器不仅能均匀润湿粉末。如果液体剂量设置正确,它们还可以均匀地聚结产品。
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在此过程中,必须根据粉末和液体的性质优化液体添加量。此外,还必须调整温度、浓度和配方。物质添加的顺序同样至关重要。混合强度也必须适当,以免损坏产品。有时,将液体分阶段分散到粉末中是明智之举。多步混合工艺特别有效,在该工艺中,更细的粉末成分将略微过湿的颗粒包裹起来。这样就结合了细如尘的颗粒。这提高了流动性,减少了粉尘污染,并稳定了下游的包装技术。
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