Jauheeksi luokitellaan erillisistä hiukkaista koostunut kuiva materiaali, jonka hiukkasten koko on korkeintaan 1000 µm. Jauhe koostuu kiinteiden partikkelien lisäksi usein partikkelien välissä ja partikkelien huokosissa olevasta ilmasta sekä mahdollisesti myös nesteestä, esimerkiksi partikkelin pinnalla sijaitsevasta vedestä. Kiinteiden partikkelien ominaisuudet eivät siis vastaa suoraan jauheen ominaisuuksia. Jauheiden ominaisuuksien rinnastaminen suoraan jauheen käyttäytymiseen tietyssä prosessissa on haasteellista johtuen käyttäytymiseen vaikuttavien tekijöiden suuresta määrästä. Jauheiden ominaisuuksien lisäksi myös esimerkiksi syöttölaitteen ominaisuudet, kuten erilaiset syöttöruuvit sekä ulkoiset olosuhteet, kuten ilmankosteus ja lämpötila, vaikuttavat jauheen käyttäytymiseen syöttöprosessissa ja syötön onnistumiseen.
Jauheiden valuvuuteen vaikuttavat tekijät
Jauheiden valuvuuteen vaikuttavia mitattavia ominaisuuksia ovat esimerkiksi jauhepartikkelien koko ja muoto, jauheen hygroskooppisuus, tiheys ja koheesio. Jauheen valuminen tarkoittaa jauhepatsaan muodonmuutosta siihen kohdistuneen leikkausvoiman takia (Zhou ja Qiu 2010). Jauheen valuminen on riippuvaista erityisesti partikkelien välisistä vuorovaikutuksista, kuten kitkan ja van der Waalsin voimien suuruuksista. Partikkelien väliset vuorovaikutukset riippuvat partikkelien välisestä etäisyydestä ja kontaktin määrästä. Jotta jauhe alkaisi valua, täytyy jauhepatsaaseen kohdistuvan leikkausvoiman olla suurempi kuin partikkelien väliset vuorovaikutukset. Mitä enemmän kontaktia ja vuorovaikutuksia partikkelien välillä siis on, sitä huonommin jauhe usein valuu. Myös ulkoiset voimat, kuten painovoima, saattavat vaikuttaa jauheen valuvuuteen aiheuttamalla esimerkiksi jauheen tiivistymistä ja edelleen lisääntynyttä vuorovaikutusta partikkelien välillä.
Jauheiden ominaisuudet
Jauheiden reologisia ominaisuuksia mitataan, jotta jauheen valuvuudesta saadaan lisää tietoa ja sen käyttäytymistä yksikköprosesseissa voidaan ennakoida (Zettler ym. 2016; Wang ym. 2017). Jauheiden valuvuusominaisuuksien tutkimisen helpottamiseksi on kehitetty erilaisia jauhereometrejä, joilla saadaan paljon tietoa jauheen ominaisuuksista melko yksinkertaisilla testeillä. Esimerkiksi FT4-jauhereometri (FT4 Powder Rheometer, Freeman Technology, Tewkesbury, UK) on Freeman Technology –yrityksen laite, jolla on mahdollista määrittää muun muassa jauheen bulkki-tiheys (bulk density), kokoonpuristuminen (compressibility), permeabiliteetti (permeability), jauhepedin murtamiseen tarvittava voima (shear strength) sekä seinäkitka (wall friction) (Freeman Technology 2018). Jauheiden valuvuudesta voidaan tehdä päätelmiä lisäksi mm. partikkelikoon, partikkelikokojakauman, partikkelien muodon ja valumiskulman perusteella.
Hygroskooppisuus
Jauheen kykyä sitoa kosteutta ilmasta kutsutaan hygroskooppisuudeksi (Crouter ja Briens 2014). Jos jauhe sitoo itseensä paljon vettä, muodostuu partikkelien välille enemmän vuorovaikutusta partikkelien välisten nestesiltojen seurauksena. Tämä lisää jauheen koheesiota ja huonontaa valuvuutta. Hygroskooppisuutta voidaan mitata esimerkiksi mittaamalla tietty jauhemassa näytteeksi ja asettamalla näyte kuivattavaksi kontrolloidussa vakaassa lämpötilassa (Van Snick ym. 2018). Tutkimalla jauheen massan muutosta vaihtuvissa kosteuspitoisuuksissa, saadaan arvio jauheen kyvystä sitoa kosteutta itseensä.
Tiheys
Jauheen tiheys kuvaa tietyn jauhemassan ja sen tilavuuden suhdetta (Martin ym. 1983). Jauheelle voidaan määrittää bulkkitiheys mittaamalla tietyn jauhemassan tilavuus. Tärytiheys tehdään samalla tavalla, mutta ennen tilavuuden mittaamista jauhetta tärytetään. Näitä arvoja vertaillaan usein jauheen valumista kuvaavalla Hausnerin suhteella, joka on tärytiheyden suhde näennäiseen irralliseen tiheyteen.
Valumiskulma
Jauheen valumiskulma mitataan kaatamalla tietty määrä jauhetta suppilon läpi ja mittaamalla jauheen muodostaman kartion kulman suuruus horisontaalista tasoa vasten (Martin ym. 1983). Mitä pienempi kulma on, sitä paremmin jauhe valuu. Menetelmän etuna on sen helppo toteutus. Kulman suuruuteen vaikuttavat partikkelien pinnan karheus ja muoto, mutta myös näytteenottotapa, kuten laitteisto ja näytteen koko sekä ulkoiset olosuhteet, esimerkiksi kosteuspitoisuus (Martin ym. 1983; Emery ym. 2009; Wang ym. 2010). Siksi valumiskulman vertailu eri tutkimusasetelmien välillä on hankalaa.
Kohesio
Jauheen kokoonpuristuminen kuvaa jauhepatsaan tilavuuden prosentuaalista muutosta puristusvoiman vaikutuksesta (Freeman ja Fu 2008). Usein korkea kokoonpuristumisen arvo on yhteydessä jauheen suurempaan kohesiivisuuteen sekä huonompaan valuvuuteen. Jauheen koheesio aiheutuu samanlaisia partikkeleita toisiaan puoleensavetävistä voimista (Zhou ja Qiu 2010).
Permabiliteetti
Jauheen permeabiliteetti on yhteydessä jauheen tiheyteen, kohesiivisuuteen ja jauheen partikkelien ominaisuuksiin. Pienipartikkelisilla, kohesiivisilla jauheilla on usein vähemmän partikkelien välistä tilaa ilman läpikulkeutumiseen. FT4-reometrilla mitattaessa permeabiliteetin suuruutta kuvataan jauhepatsaan paineen muutoksen arvona, kun jauhepatsaaseen kohdistuu ylhäältä päin muuttuva normaalivoima ja alhaalta vakionopeudella puhaltava ilmavirta. Mitä pienempi jauhepatsaassa tapahtuvan paineen putoamisen arvo on, sitä permeatiivisempaa jauhe on eli sitä helpommin ilma pääsee kulkeutumaan jauhepatsaan läpi. Permeabiliteetti auttaa ennakoimaan jauheen mahdollista aeraatioota, joka taas vaikuttaa jauheen fluidisoitumiseen ja valumiseen syöttölaitteesta.
lähde:
Tiiu Nikkilä, jauheiden ominaisuuksien vaikutus jauheiden valumiseen jatkuvatoimisista syöttölaitteista (2019)
