وبلاگ
دستگاه تست جریان پذیری پودر
رئولوژی پودر؛ بررسی جریان پذیری، تراکم پذیری و رفتار پودر ها
پودر ها بهعنوان ماده اولیه، محصول واسطه یا محصول نهایی در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. بااین حال، کار با پودرها همیشه ساده نیست؛ زیرا رفتار آنها تحت تاثیر مجموعهای از عوامل ساختاری و بیرونی قرار دارد و ممکن است در طول فرآیند تولید، جابهجایی یا نگهداری تغییر کند. به همین دلیل، شناخت و کنترل رفتار پودر برای دستیابی به فرآیندی پایدار اهمیت زیادی دارد. رئولوژی پودر (Powder Rheology) مجموعهای از روش های مختلف برای بررسی خواص و ویژگی های پودرها و مواد دانهای است. این روشها میتوانند ویژگیهایی مانند جریان پذیری، تراکم پذیری، نفوذ پذیری، چسبندگی و رفتار در شرایط مختلف فرآیندی را بررسی کنند. در این مقاله به معرفی طیقه بندی پودرها میپردازیم و پارامترهای موثر بر رفتار آن ها را بررسی میکنیم. برای انجام این تست ها، دستگاه رئومتر آنتون پار با اکسسوری های لازم را در این مقاله بررسی می کنیم.
دستگاه رئومتر آنتون پار – تست جریان پذیری پودر
دستگاه مناسب برای بررسی رئولوژی پودر
برای بررسی رئولوژی پودرها، سیستم های رئومتر MCR با دو سل تخصصی Powder Shear Cell و Powder Flow Cell ارائه میشوند. این دو سل مجموعه گستردهای از روشهای اندازهگیری را برای تحقیق و توسعه و همچنین کنترل کیفیت فراهم میکنند. Powder Shear Cell برای تعیین رفتار جریان پودرهای متراکم و همچنین رفتار وابسته به زمان مناسب است. این سیستم امکان انجام آزمونهای برشی، تراکمپذیری و اصطکاک دیواره را فراهم میکند. در مقابل، Powder Flow Cell برای بررسی مشخصات پودر در شرایط مختلف فرآیندی طراحی شده و میتواند برای شبیه سازی، تنظیم و بهینه سازی شرایط فرآیند تولید مورد استفاده قرار گیرد.
مشخصات فنی سیستم های سل پودر
| مشخصات | Powder Shear Cell | PFC 30 | PFC 20 | PFC 10 |
|---|---|---|---|---|
| حجم نمونه | 4.3 و 18.9 میلیلیتر | 60 تا 120 میلیلیتر | 21 میلیلیتر | — |
| محدوده گشتاور | 0.2 nNm تا 300 mNm | 0.2 nNm تا 300 mNm | — | — |
| تنش نرمال | حین برش: تا 30 kPa حین تراکم: تا 110 kPa (بسته به نمونه و سلول) | 22 kPa | — | — |
| قابلیت کنترل دما | −20 تا +180 درجه سانتی گراد با CTD 180 HR −150 تا +450 درجه سانتی گراد با CTD 450 TDR −170 تا +600 درجه سانتی گراد با CTD 600 MDR سفارشی تا 980 درجه سانتی گراد | −15 تا +80 درجه سانتی گراد (در صورت درخواست) | −20 تا +180 درجه سانتی گراد با CTD 180 HR −150 تا +450 درجه سانتی گراد با CTD 450 TDR −170 تا +600 درجه سانتی گراد با CTD 600 MDR | — |
| قابلیت کنترل رطوبت | 5 تا 95% RH | قابل سفارشیسازی (در صورت درخواست) | 5 تا 95% RH | — |
| سیستمهای اندازهگیری | سیستم برش کوچک (4.3 mL) سیستم برش بزرگ (18.9 mL) سیستم اصطکاک دیواره با دیسکهای قابل تعویض | همزن دوپره همزن دوپره مارپیچی Warren Springs ست آمادهسازی پودر با دیسکهای قابل تعویض سیستمهای استوانهای ست چگالی پوشش | همزن دوپره مارپیچی کوچک | — |
| روشهای اندازهگیری | شرایط بار کم تا زیاد اندازهگیری برش، تراکم زمانی، اصطکاک و چسبندگی دیواره تراکمپذیری (چگالی توده، شاخص کار، نسبت هاوزنر) | شرایط سیالشده و هوادهیشده: افت فشار، نگهداشت هوا، استحکام چسبندگی، جدایش (Segregation)، نفوذپذیری، ویسکوزیته بستر سیال و تمام روشهای PFC 20 | شرایط غیرسیالشده و هوادهیشده: تراکمپذیری، اصطکاک و چسبندگی دیواره، چسبندگی و کیکشدن Warren Spring، استحکام کششی، BFE، SE، چگالی پوشش | شرایط غیرسیالشده و هوادهیشده: BFE و SE |
| محافظت در برابر گرد و غبار | عدم نیاز | هود محافظ ثبتشده (US10031067) فیلتراسیون 100٪ ذرات بزرگتر از 5 µm و 90–95٪ ذرات 1 تا 5 µm | — | — |
| قابلیت سیال سازی (Fluidization) | عدم نیاز | انتخاب از میان 3 کنترلکننده جریان جرمی (MFC) با دبی حجمی 0.05 تا 80 L/min | — | — |
| لوازم جانبی (Accessories) | میز آمادهسازی نمونه و تراکم زمانی پایه وزنه برای سلهای کوچک و بزرگ مجموعه وزنهها تا 12 kPa با گام 1 kPa | لوله اندازهگیری شیشهای بدون پوشش اختیاری: لوله شیشهای با پوشش FTO یا لوله فولادی | — | — |
تکرارپذیری اندازهگیری
رئومترهای MCR حساسیت بالایی دارند و میتوانند تفاوتهای بسیار جزئی بین پودرهای مشابه و تغییرات کوچک در نمونه را تشخیص دهند. همچنین، Powder Shear Cell با آمادهسازی یکنواخت نمونه، تاثیر اپراتور را کاهش میدهد. Powder Flow Cell نیز با آمادهسازی خودکار نمونه، دقت و تکرارپذیری بالایی دارد و میتواند تکرارپذیری اندازهگیری تا ۰.۵٪ را ارائه دهد.
کنترل دما و رطوبت در آزمون رئولوژی پودر چگونه انجام میشود؟
از آنجا که دما و رطوبت میتوانند رفتار پودر را تحت تاثیر قرار دهند، کنترل این دو پارامتر در آزمونهای رئولوژی اهمیت دارد. سیستم MCR میتواند با محفظههای گرمایشی، اندازه گیری پودر را در محدودههای دمایی مختلف انجام دهد؛ محدوده دما از 170- تا 980+ درجه سانتیگراد قابل پوشش است. همچنین با کیت اختصاصی، رطوبت نسبی بین 5 تا 95 درصد قابل کنترل است.
ایمنی در کار با پودرها
کار با پودرها نیازمند توجه جدی به ایمنی است؛ زیرا تنفس ذرات ریز میتواند خطرات جدی ایجاد کند. Powder Flow Cell به یک سیستم حفاظت در برابر گرد و غبار مجهز شده است که برای ایجاد محیطی تمیز و ایمن در هنگام کار با نمونه طراحی شده است. این سیستم از ورود ذرات ریز و خطرناک به محیط کار و دستگاه جلوگیری میکند، حتی زمانی که نمونه بهطور کامل سیال شده باشد.
کاربردهای رئولوژی پودر در صنایع مختلف
رئولوژی پودر در طیف وسیعی از صنایع قابل استفاده است. در صنایع دارویی و غذایی میتوان از آن برای کنترل کیفیت پودرها استفاده کرد. در صنعت مصالح ساختمانی نیز بررسی رفتار موادی مانند سیمان و گچ به کنترل فرآیند کمک میکند. همچنین ترکیب چند روش اندازه گیری میتواند بهعنوان یک برنامه کنترل کیفیت برای موادی مانند پوشش های پودری مورد استفاده قرار گیرد. در تولید افزایشی (Additive Manufacturing) نیز بررسی پودر اهمیت دارد. برای مثال، پودرهای فلزی و پلیمری در این فرآیندها مورد استفاده قرار میگیرند و بررسی رفتار پودر میتواند به پیشبینی رفتار آن در طول فرآیند ساخت و کنترل کیفیت مراحل بازیافت پودر کمک کند.
چرا بررسی رئولوژی پودر اهمیت دارد؟
رفتار پودر تنها به یک ویژگی مشخص مانند اندازه ذرات وابسته نیست. مجموعه ای از پارامترهای مربوط به خود پودر و همچنین شرایط محیطی و فرآیندی میتوانند رفتار آن را تغییر دهند. برای مثال، جریانپذیری پودر میتواند تحت تاثیر اندازه و توزیع اندازه ذرات و همچنین رطوبت قرار گیرد. بنابراین، اندازه گیری یک ویژگی به تنهایی برای پیش بینی رفتار پودر در فرآیند کافی نیست. رئولوژی پودر تاثیر عوامل داخلی و خارجی را در نظر میگیرد و رفتار پودر را در یک کاربرد مشخص بررسی میکند. عوامل داخلی شامل ویژگیهای خود پودر هستند، از جمله: اندازه ذرات، توزیع اندازه ذرات، شکل ذرات (دستگاه پارتیکل سایز آنالایزر)، بافت سطح، سطح ویژه و تخلخل سطح، چگالی و نحوه بستهبندی ذرات. شرایط محیطی و فرآیندی نیز میتوانند رفتار پودر را تغییر دهند. مانند رطوبت، دما، فشار هوا، نرخ جریان گاز عبوری از پودر و میزان تراکم اعمالشده. به این ترتیب، این حوزه میان رویکرد مهندسی در جابهجایی مواد توده ای و رویکرد فیزیک مواد دانهای ارتباط ایجاد میکند.
پودرها چگونه طبقهبندی میشوند؟
پودرها را میتوان به دو روش اصلی طبقهبندی کرد: بر اساس خواص و رفتار
الف: طبقه بندی پودر بر اساس خواص
در این روش، پارامترهای مربوط به خود پودر بررسی میشوند، بدون اینکه مستقیما تاثیر آنها بر رفتار پودر در فرآیند، جابهجایی یا نگهداری در نظر گرفته شود. مهمترین ویژگیهایی که میتوانند در این طبقهبندی مورد بررسی قرار گیرند و می توانند نقش مهمی در رفتار نهایی پودر داشته باشند عبارتاند از:
- اندازه ذرات و توزیع اندازه ذرات
- ترکیب مخلوط
- مورفولوژی ذرات
- اندازه حفره ها
- سطح ویژه
ب: طبقهبندی بر اساس رفتار پودر
در این روش، تمرکز بر نحوه رفتار پودر است. ویژگیهایی مانند سیال شدن، جریان پذیری و تراکم پذیری از جمله رفتارهایی هستند که میتوانند مورد مطالعه قرار گیرند. هر یک از این رفتارها نیز تحت تاثیر چندین پارامتر پودر قرار دارند. در این قسمت این پارامترها را بررسی می کنیم.
1.سیالشدن پودر و طبقهبندی Geldart
یکی از روشهای توصیف رفتار پودر در حالت سیال شدن، طبقهبندی Geldart است. در این طبقه بندی، رابطه میان اندازه ذرات و اختلاف چگالی ذرات و گاز سیالکننده بررسی میشود و پودرها در چهار گروه A تا D قرار میگیرند.
- گروه A شامل پودرهایی که هوا از بین ذراتشان عبور داده میشود است که بهراحتی سیال میشوند. مانند: آلومینیوم
- گروه B رفتار مشابه شن دارند و میتوانند سیال شوند، اما نسبت به گروه A به سادگی سیال نمیشوند.
- گروه C چسبنده هستند و سیالشدن آنها بسیار دشوار است. مانند: آرد
- گروه D نیز پودرهای Spoutable را شامل میشود که برای حرکت مناسب به سرعت گاز بالاتری نیاز دارند. مانند: برنج
طبقهبندی پودرها بر اساس Geldart
2.جریانپذیری پودر چیست؟
جریان پذیری (Flowability) یکی از مهم ترین ویژگی ها در فرآیند تولید و جابهجایی پودر است. بسته به وضعیت پودر، جریان پذیری را میتوان در پودرهای متراکمشده یا پودرهای آزاد و هوادهیشده بررسی کرد. برای پودرهای متراکم و چسبنده، روشهایی مانند اندازه گیری چسبندگی Warren Spring و سل برشی (Shear Cell) مورد استفاده قرار میگیرند. این اندازه گیریها برای کاربردهایی مانند طراحی سیلو و هاپر نیز اهمیت دارند و میتوانند برای بررسی کیک شدن پودر یا تاثیر رطوبت بر رفتار آن به کار روند. برای پودرهای غیرمتراکم و غیرچسبنده نیز میتوان استحکام چسبندگی را بررسی کرد. این اندازه گیریها با سیالکردن پودر و حذف تنشهای باقیمانده انجام میشوند و به دلیل حساسیت بالا، امکان شناسایی تغییرات کوچک در پودر را فراهم میکنند.
قابلیت جریانپذیری (ffc) بر حسب تنش تراکم (σ₁). σC نشاندهنده تنش تسلیم
3.تراکمپذیری پودر و شاخص Carr
یکی دیگر از روشهای رایج برای ارزیابی رفتار پودر، بررسی تراکم پذیری است. در این روش، نمونه درون یک لوله ریخته میشود و بهطور مکرر تحت ضربه قرار میگیرد. سپس حجم نمونه پیش و پس از ضربهزدن با یکدیگر مقایسه میشود و از این طریق شاخص Carr محاسبه میشود. شاخص Carr بهعنوان معیاری برای جریان پذیری پودر استفاده میشود. شاخص کمتر از 10 نشاندهنده ویژگی جریان عالی و شاخص بالاتر از 38 نشاندهنده جریانپذیری بسیار بسیار ضعیف است.
روشهای اندازهگیری در رئولوژی پودر
رئولوژی پودر شامل مجموعه گسترده ای از روش های اندازه گیری است که امکان بررسی رفتار پودر را در شرایط نزدیک به کاربرد واقعی فراهم میکنند.
استحکام چسبندگی
Cohesion Strength مقاومت داخلی پودر در برابر جریان را توصیف میکند و بنابراین معیاری برای جریان پذیری پودر است. این روش میتواند برای شناسایی تغییرات کوچک ناشی از رطوبت یا تغییر اندازه ذرات، بررسی خشکشدن نمونههای مرطوب، جدایش و تخریب آگلومره ها مورد استفاده قرار گیرد.
چسبندگی Warren Spring
زمانی که پودر قابل سیالشدن نیست یا در حالت متراکم قرار دارد، روش Warren Spring برای تعیین جریان پذیری مناسب است. در این روش، نمونه ابتدا بهصورت تکمحوری متراکم و سپس تحت برش قرار میگیرد. حداکثر Shear stress در زمان شکست بستر پودر برای محاسبه چسبندگی استفاده میشود. این روش همچنین میتواند برای بررسی کیک شدن و تاثیر رطوبت بر چسبندگی به کار رود.
سل برشی پودر
سل های برشی چرخشی و انتقالی برای بررسی پودرهای چسبنده استفاده میشوند و کاربرد مهمی در طراحی سیلو و هاپر دارند. در این روش، پودر تحت تنش نرمال مشخص متراکم شده و سپس تا رسیدن به جریان پایدار تحت برش قرار میگیرد. نتایج تنش برشی و نرمال میتوانند برای ایجاد نمودار Mohr-Coulomb و تعیین ویژگیهایی مانند تابع جریان (ffc) و زاویه اصطکاک داخلی استفاده شوند.
اصطکاک دیواره
اصطکاک دیواره، اصطکاک بین پودر و یک سطح جامد را نشان میدهد. در این روش، نمونه تحت تنش نرمال کنترل شده فشرده میشود و سپس دیسک میچرخد. از گشتاور حاصل، ضریب اصطکاک و زاویه اصطکاک دیواره محاسبه میشود. این دادهها برای طراحی سیلو و هاپر بسیار مهماند و در انتخاب زاویه مناسب هاپر برای رسیدن به جریان جرمی یا جریان هستهای کاربرد دارند.
تراکم پذیری
تراکم پذیری نشاندهنده تغییر حجم پودر در اثر اعمال فشار است. با بررسی چگالی تودهای و تغییر آن در اثر تراکم میتوان رفتار پودر را ارزیابی کرد و شاخصهایی مانند Carr Index را در فشارهای مختلف به دست آورد.
افت فشار و سیال شدن
در روش Pressure Drop ، جریان هوا از میان بستر پودر عبور داده میشود و فشار در طول افزایش جریان هوا بررسی میشود. این روش امکان تعیین پارامترهای سیال شدن، از جمله جریان گاز لازم برای شروع سیال شدن و سیال شدن کامل را فراهم میکند.
هوا گیری
رفتار هواگیری یا Air Retention/Deaeration نشان میدهد پودر پس از سیال شدن چه مقدار هوا را در خود نگه میدارد. این ویژگی به عواملی مانند اندازه و مورفولوژی ذرات وابسته است و اطلاعات حاصل از آن میتواند در طراحی یا بهینهسازی سیستمهای انتقال پنوماتیک و فرآیندهای پرکردن و بستهبندی مورد استفاده قرار گیرد.
نفوذ پذیری
Permeability مقاومت بستر پودر در برابر عبور جریان هوا را نشان میدهد. با اندازهگیری اختلاف فشار هنگام عبور جریان هوا از پودر، میتوان نفوذپذیری را محاسبه کرد. این اندازهگیری در فرآیندهایی مانند آئروسلسازی، قرصسازی، انحلال و پرکردن کاربرد دارد.
استحکام کششی
استحکام کششی پودر را میتوان در حالت متراکم و غیرمتراکم بررسی کرد. این کار میتواند بهصورت مستقیم با اندازه گیری نیروی لازم برای جداکردن ذرات از یکدیگر یا بهصورت غیرمستقیم با استفاده از آزمون سیال شدن انجام شود.
جمعبندی
رفتار پودر تحت تاثیر مجموعه ای از ویژگیهای ذرات و شرایط محیطی و فرآیندی قرار دارد. به همین دلیل، رئولوژی پودر روشی مهم برای شناخت رفتار مواد پودری در شرایط نزدیک به فرآیند واقعی است. با بررسی ویژگیهایی مانند جریان پذیری، تراکم پذیری، چسبندگی، اصطکاک دیواره، نفوذپذیری، سیالشدن، نگهداشت هوا و استحکام کششی میتوان تصویر جامعتری از رفتار پودر به دست آورد. سیستمهای MCR با استفاده از Powder Shear Cell و Powder Flow Cell، مجموعهای از این روشها را برای کاربردهای تحقیق و توسعه و کنترل کیفیت در اختیار قرار میدهند و امکان بررسی پودرها در شرایط مختلف بار، دما و رطوبت را فراهم میکنند.