Principios y capacidades de la reología de polvos

Escrito por Birgit Schroeder

La reología de polvos es una técnica analítica fundamental para varias industrias, entre ellas la alimentaria, la farmacéutica, el desarrollo de baterías y los polímeros. Este tipo de análisis examina el comportamiento del flujo y las propiedades mecánicas de los materiales en polvo, que difieren fundamentalmente de los de los líquidos y semisólidos. Los líquidos fluyen con suavidad debido a las fuerzas intermoleculares más débiles entre las partículas, que permiten que sus moléculas se deslicen unas sobre otras. Los polvos, por otro lado, fluyen a medida que sus pequeñas partículas se mueven e interactúan entre sí y con su recipiente, mostrando a menudo propiedades tanto de sólidos como de fluidos.

Comprender el comportamiento del flujo de los polvos es esencial para optimizar los procesos de producción y garantizar la calidad de los productos finales. En esta entrada del blog, exploraremos los principios científicos que subyacen a la reología de los polvos y destacaremos las capacidades técnicas de las técnicas reológicas avanzadas.

Principios científicos de la reología de los polvos

La reología de los polvos se centra en comprender cómo se comportan los polvos bajo diferentes tensiones y condiciones ambientales. Dado que las propiedades de flujo de los polvos dependen de su estado de compresión y, en ocasiones, de su historial de compresión, saber cómo se comportarán los polvos en determinadas condiciones puede proporcionar información sobre cómo se podrían ajustar las operaciones para manejar mejor los materiales y mejorar los procesos de producción.

Hay cuatro principios clave que se tienen en cuenta en la reología de los polvos:

• Fluidez: se refiere a la facilidad con la que las partículas de un polvo pueden deslizarse unas sobre otras o moverse a lo largo de una superficie. La fluidez se ve influida por factores como el tamaño de las partículas, su forma y su contenido de humedad. Es una característica fundamental para aquellos procesos en los que es necesario un suministro constante de material, como la extrusión.
• Compresibilidad: la compresibilidad mide cómo disminuye el volumen de un polvo bajo presión. Durante su manipulación, todos los polvos experimentan cierto nivel de carga compresiva. Esto ocurre no solo durante la etapa de compresión propiamente dicha, sino también durante el proceso de alimentación o transporte. La compresibilidad es crucial para aplicaciones como la producción de gránulos o la fabricación de comprimidos farmacéuticos, en las que los polvos deben compactarse en formas sólidas sin comprometer su integridad.
• Cohesión: indica la tendencia de las partículas a adherirse entre sí. Una alta cohesión puede provocar aglomeración o formación de grumos. Esta propiedad también puede afectar a la fluidez de un polvo y dificultar su procesamiento.
• Resistencia al cizallamiento: es la resistencia del polvo a la deformación por cizallamiento. La tensión de cizallamiento puede hacer que los planos paralelos de un material se deslicen entre sí, lo que podría provocar un cambio en la forma del material sin alterar su volumen. La capacidad de un polvo para resistir esta fuerza de cizallamiento es un parámetro esencial para comprender cómo se comportarán los polvos bajo tensiones mecánicas, como la mezcla o la manipulación.

Capacidades técnicas de la reología de los polvos

Los reómetros modernos vienen con una gama de accesorios especializados para realizar pruebas reológicas específicas de polvos. La información detallada que proporcionan estos diversos componentes puede permitir a los fabricantes optimizar sus procesos. Las mediciones se relacionan directamente con los cuatro principios clave de la reología mencionados anteriormente:

Prueba de fluidez de polvos: esta prueba evalúa la fluidez de los polvos midiendo la resistencia al movimiento de un rotor de cuchillas retorcidas. A diferencia de las geometrías tradicionales de los reómetros, como las placas paralelas o el cono y la placa, que son adecuadas para líquidos y algunos semisólidos, la pala retorcida puede moverse helicoidalmente a través de una muestra de polvo. Se miden el par y la fuerza necesarios para mover el rotor a través de la muestra, y los datos se utilizan para calcular la energía de fluidez total sin confinar y confinada de la muestra de polvo. Se determinan parámetros como la energía de fluidez básica y la estabilidad del flujo, que son cruciales para procesos como la fabricación aditiva y la producción de lodos para baterías.

Ensayo de compresión de polvos: evalúa la compresibilidad y la densidad de los polvos. Un accesorio de rotor especializado para ensayos de compresión no es un rotor tradicional, sino que es el nombre que recibe la parte móvil del accesorio de compresión que aplica la fuerza y provoca la deformación. Se coloca una muestra en una copa especialmente diseñada y se mueve el rotor para comprimir el polvo dentro de los límites de la copa. Se miden la fuerza aplicada y la deformación resultante y se utilizan para informar a los investigadores sobre las cualidades del polvo que se está estudiando. Por ejemplo, en la producción de polvos de grafito para electrodos de baterías, los ensayos de compresión ayudan a determinar las condiciones óptimas para obtener una calidad constante de la pasta.

Ensayo de cizallamiento de polvos: Mide la resistencia al cizallamiento y la cohesión de los polvos. El polvo se consolida en una célula de cizallamiento, o una copa con una base perfilada sobre una placa superior perfilada, y luego la muestra se cizalla lentamente bajo tensiones normales variables hasta que cede. Este proceso informa sobre la cohesión, el límite elástico, la función de flujo y otras propiedades.

Influencia del contenido de humedad: El contenido de humedad afecta significativamente a la fluidez del polvo. Los reómetros pueden caracterizar el comportamiento de flujo de los polvos a diferentes niveles de humedad, lo que ayuda a optimizar procesos como la extrusión de alimentos, en los que las variaciones de humedad pueden afectar a la textura y al rendimiento del producto.

Aplicaciones de la reología de polvos en la industria

La reología de polvos tiene diversas aplicaciones en múltiples industrias:

Fabricación aditiva: Los procesos de fusión de lecho de polvo (PBF) consisten en esparcir un material en polvo con el espesor de capa deseado sobre un sustrato y, a continuación, fundir el polvo para fusionarlo en una pieza cohesionada. Comprender la fluidez y la densidad del polvo es esencial para controlar la densidad de las capas y producir piezas de alta calidad. Las pruebas reológicas ayudan a garantizar que los polvos metálicos se esparzan de manera uniforme y se compacten adecuadamente, lo que reduce la rugosidad de la superficie y mejora la integridad de las piezas.

Fabricación de baterías: Las pastas de electrodos se pueden producir mediante mezcla por lotes, en la que se combinan cantidades precisas de polvo de grafito, aglutinante, disolvente y aditivos en un recipiente de mezcla, o mediante mezcla continua en un proceso de extrusión, que ofrece eficiencia y un rendimiento constante para la producción a gran escala. El polvo de grafito es esencial en la producción de pastas de ánodo para baterías de iones de litio debido a su excelente conductividad eléctrica, estabilidad y capacidad para intercalar iones de litio. Hay dos tipos principales de grafito que se utilizan en la fabricación de ánodos: el grafito natural y el sintético. A veces se utilizan mezclas de grafito natural y sintético para equilibrar el costo y optimizar las características del ánodo. Conocer las propiedades reológicas de los polvos de grafito, incluyendo la fluidez, la compresibilidad y la resistencia al cizallamiento, puede ser fundamental para lograr un procesamiento óptimo. El uso de un reómetro rotacional equipado con un accesorio diseñado específicamente para investigaciones reológicas de polvos ayuda a proporcionar los conocimientos necesarios para optimizar las propiedades de flujo de cualquier mezcla de grafito.

Procesamiento de alimentos: Cuando se utilizan con una técnica de producción de alimentos como la extrusión, las técnicas reológicas pueden utilizarse para caracterizar, por ejemplo, la fluidez del polvo de almidón de papa con mayor contenido de humedad en relación con su capacidad de alimentación para los procesos de extrusión de alimentos. La fluidez de los materiales granulares depende en gran medida de la forma y el tamaño de las partículas, así como de las propiedades de la superficie de las partículas, entre otros aspectos. Además, se debe tener en cuenta el contenido de humedad de los materiales: a medida que aumenta el contenido de humedad, tienden a formarse puentes líquidos entre las partículas. Esto puede provocar aglomeración, lo que aumenta la cohesión y reduce la fluidez.

Resumen

La reología de polvos es un campo vital que combina principios científicos con capacidades técnicas avanzadas para optimizar los procesos industriales. Al comprender y controlar el comportamiento de flujo, la compresibilidad y la cohesión de los polvos, los fabricantes pueden mejorar la calidad de los productos y la eficiencia de los procesos. Los reómetros modernos, equipados con accesorios especializados, proporcionan una visión completa de las propiedades de los polvos, lo que los convierte en herramientas indispensables en diversas industrias.

Ya sea en la fabricación aditiva, la producción de baterías o el procesamiento de alimentos, la aplicación de la reología de polvos ayuda a garantizar que estos se comporten de forma predecible y consistente, lo que se traduce en mejores productos y procesos más eficientes.

Recursos adicionales

• Nota de aplicación: Reología de polvos en la fabricación aditiva basada en lechos de polvo
• Nota de aplicación: Influencia del contenido de humedad en la fluidez del polvo durante la alimentación
• Nota de aplicación: Investigación de los efectos de la consolidación de los polvos farmacéuticos