La scorrevolezza delle polveri è un parametro fondamentale in diversi settori industriali, dalla farmacologia alla produzione alimentare, fino all’industria chimica e dei materiali. Essa influisce direttamente sulla qualità e sull’efficienza dei processi produttivi, determinando la facilità con cui le polveri possono essere movimentate, dosate e trasformate.

Comprendere il concetto di scorrevolezza e saperla misurare in modo accurato è quindi essenziale per ottimizzare le performance produttive e garantire la ripetibilità e la stabilità dei prodotti finali. In questo articolo, esploreremo in dettaglio cosa si intende per scorrevolezza delle polveri, quali sono i fattori che la influenzano e le tecniche utilizzate per misurarla, fornendo un quadro completo per le aziende che operano in questo campo.

Quale disciplina studia la scorrevolezza delle polveri?

La reologia delle polveri è la branca della scienza che si dedica all’analisi e alla comprensione dei meccanismi che governano il movimento e l’interazione delle particelle granulari in diverse condizioni ambientali. Questo campo di studio si concentra su molteplici aspetti, come la distribuzione delle dimensioni delle particelle, la forma e l’aggregazione, tutti fattori che influenzano la scorrevolezza delle polveri. 

Definizione di scorrevolezza di una polvere

La scorrevolezza della polvere è un concetto complesso che si riferisce alla facilità con cui le particelle di un materiale in forma di polvere possono muoversi e fluire. Questo comportamento, come quelli tipici della polvere come materiale, è influenzato da tre fasi distinte che caratterizzano la polvere stessa: 

1. Le particelle: le proprietà intrinseche delle particelle, come dimensione, forma, composizione chimica e distribuzione della massa, determinano come interagiscono tra loro e con l’ambiente circostante. Ad esempio, le particelle più piccole possono comportarsi diversamente dalle più grandi;
2. L’aria presente tra di esse: l’aria può influenzare la movimentazione delle particelle attraverso fenomeni di trasporto come la diffusione e la convezione. L’interazione tra le particelle e il fluido circostante (in questo caso, l’aria) può influenzare i tassi di reazione, l’aggregazione delle particelle e la formazione di aerosol, oltre a determinare il modo in cui le particelle si disperdono;
3. L’acqua all’interno o sulla superficie delle particelle: l’acqua può agire come un medium di trasporto e può influenzare le reazioni chimiche. La presenza di acqua modifica le forze intermolecolari, può ridurre l’attrito e influenzare i fenomeni di aggregazione e disgregazione. Inoltre, l’acqua può contribuire a fenomeni come l’umidificazione, che può a sua volta modificare le proprietà delle particelle.

È importante riconoscere che, contrariamente a quanto si possa comunemente pensare, la scorrevolezza non può essere ridotta a un singolo valore numerico, poiché il comportamento di una polvere varia significativamente in base a condizioni come aerazione e consolidamento. Questi fattori possono cambiare durante le diverse fasi del processo industriale o dell’applicazione, rendendo necessaria una valutazione più sfumata per comprendere appieno le interazioni tra le particelle e il loro comportamento.

Fattori che influenzano la scorrevolezza di una polvere

Influenza delle variabili esterne

Le variabili esterne, come il grado di consolidamento e il livello di aerazione, hanno un impatto significativo sulla scorrevolezza delle polveri. Il comportamento delle polveri può essere ulteriormente influenzato dalla velocità di lavorazione, ad esempio durante le fasi di miscelazione o nelle linee di riempimento. Altri fattori, come l’umidità ambientale e il tempo di stoccaggio, giocano anch’essi un ruolo cruciale. Una polvere che presenta una buona scorrevolezza in condizioni normali, infatti, può diventare problematica se stoccata a lungo o processata in un ambiente con umidità elevata.

Sebbene alcune di queste variabili siano relativamente facili da gestire, le variazioni relative al contenuto d’aria e alla sollecitazione dovuta al consolidamento sono spesso ineluttabili, influenzando vari processi come la miscelazione, il caricamento, la caduta e il trasporto. È essenziale riconoscere come queste variabili esterne possano alterare il comportamento delle polveri per approfondire la comprensione delle prestazioni nei processi produttivi. Valutare la risposta di una polvere a queste variabili permette quindi di ottenere informazioni sui suoi comportamenti così da ottimizzare sia la formulazione che l’efficienza produttiva.

Influenza delle proprietà delle particelle

Il comportamento di una polvere è fortemente influenzato anche da una serie di caratteristiche intrinseche delle particelle che la compongono. Tra queste, la dimensione e la distribuzione granulometrica rivestono un ruolo cruciale, ma non sono gli unici fattori significativi. Altre proprietà determinanti includono:

• Forma delle particelle: la geometria influisce sul flusso e sull’interazione tra particelle;
• Superficie e rugosità: caratteristiche che determinano l’adesione tra particelle e di conseguenza la loro scorrevolezza; 
• Area superficiale: un valore maggiore può comportare una maggiore reattività e interazione;
• Densità: sia la densità reale che quella apparente possono condizionare il comportamento del materiale;
• Coesione: la forza di attrazione tra particelle influisce sul compattamento e sulla stabilità della polvere;
• Adesione: la capacità delle particelle di attaccarsi a superfici o tra di loro influenza la lavorabilità del materiale;
• Elasticità e plasticità: queste proprietà definiscono come una polvere possa deformarsi sotto stress meccanico;
• Porosità: il grado di porosità influisce sulla capacità della polvere di trattenere aria o umidità;
• Igroscopia: la capacità di assorbire umidità dall’ambiente gioca un ruolo nell’instabilità e di conseguenza nella scorrevolezza della polvere;
• Durezza e friabilità: questi indicano quanto una polvere possa resistere alla compressione e alla rottura;
• Contenuto amorfo: la presenza di materiale non cristallino può influenzare la reattività e la stabilità;
• Carica elettrostatica: l’accumulo di carica può influenzare il comportamento delle particelle, causando agglomerazione o dispersione.

È importante notare che tutte queste proprietà devono essere valutate in un contesto di distribuzione, piuttosto che analizzate come variabili isolate. Le caratteristiche fisiche globali che influenzano la scorrevolezza e il comportamento delle polveri dipendono quindi da una combinazione di fattori, evidenziando l’importanza di un approccio integrato per comprendere le dinamiche delle polveri.

Interazioni tra particelle 

Un’ulteriore conoscenza del comportamento di scorrevolezza delle polveri può essere ottenuta attraverso la comprensione dei meccanismi di interazione che esistono tra le particelle. Diversi fattori possono influenzare la mobilità di una particella rispetto a un’altra. Esaminare questi effetti e saperli sfruttare strategicamente è cruciale per lo sviluppo dei prodotti e l’ottimizzazione dei processi.

Effetti che si oppongono alla scorrevolezza delle polveri

I principali effetti di interazione che ostacolano il flusso delle polveri includono:

1. Attrito: le particelle con superfici lisce tendono a generare meno attrito, facilitando il loro movimento rispetto a particelle più ruvide, a parità di altre proprietà;
2. Blocco meccanico: alcune particelle possono incastrarsi a causa della loro forma, impedendo un movimento fluido l’una rispetto all’altra;
3. Forze di coesione: queste forze si manifestano tra particelle che sono in contatto o vicine tra loro, influenzando la loro capacità di scorrere;
4. Ponte liquido: la presenza di umidità nella polvere può formare legami capillari tra le particelle, riducendo così l’autonomia del loro movimento.

Effetti che favoriscono scorrevolezza delle polveri

Gli effetti che favoriscono la scorrevolezza delle polveri sono invece strettamente legati all’influenza della gravità, che rappresenta la principale forza motrice in gioco. Le polveri composte da particelle di grandi dimensioni o da materiali ad alta densità manifestano una migliore fluidità quando sono poco compresse, poiché la loro massa elevata amplifica l’azione della forza gravitazionale su di esse. Questo interplay tra le forze restrittive, come l’attrito e la coesione tra le particelle, e le forze che promuovono il movimento, determina se le particelle si sposteranno singolarmente o si aggregheranno in gruppi più consistenti. In altre parole, per favorire una scorrevolezza ottimale, è cruciale trovare un equilibrio tra la compressione delle polveri e la forza gravitazionale che agisce su di esse, permettendo così un flusso efficiente e controllato. 

Come si misura la scorrevolezza di una polvere?

La valutazione della scorrevolezza di una polvere avviene attraverso una metodologia dinamica brevettata, integrata nei reometri, che analizza il comportamento della polvere in movimento per determinare la sua capacità di scorrimento. Questa tecnica prevede l’uso di lame di precisione o alette, le quali vengono sottoposte a un movimento rotatorio mentre si trovano immerse nella polvere, abbinato a un movimento verticale, sia ascendente che discendente, per ottenere un modello di flusso dettagliato.

La combinazione di queste due tipologie di movimento consente di analizzare l’interazione tra le particelle della polvere e il loro scorrimento; la resistenza avvertita dalle alette durante questo processo rappresenta le proprietà di scorrimento del materiale in esame. Il reometro impiega misurazioni della resistenza sia rotazionale sia verticale, note rispettivamente come Torque e Force. L’integrazione di questi due parametri fornisce un’indicazione della resistenza totale della polvere allo scorrimento.

Le misurazioni di Torque e Force vengono effettuate per ogni millimetro di percorso delle alette attraverso il campione, generando così l’Energy Gradient in mJ/mm. La relazione fondamentale qui è che il lavoro svolto (o energia) è uguale alla resistenza che la polvere oppone moltiplicata per la distanza percorsa. In pratica, più resistenza c’è, più lavoro serve per muovere la lama. Per capire quanto è difficile far scorrere la polvere, si calcola l’area sotto la curva dell’Energy Gradient. Questa area rappresenta l’energia totale spesa per muovere la lama attraverso la polvere e ci dà un’idea della fluidità della polvere stessa. 

Come quantificare lo scorrimento

Per quantificare lo scorrimento vanno utilizzati generalmente due modelli di scorrimento:

• Scorrimento forzato (o confinato): questo modello misura la scorrevolezza della polvere quando viene costretta a scorrere, ad esempio attraverso una coclea o un sistema di alimentazione. In questo caso, si ottiene la Basic Flowability Energy (BFE), che viene misurata durante il movimento delle alette verso il basso;
• Scorrimento a basso stress (o non confinato): in questo modello, la scorrevolezza della polvere è misurata quando è libera di scorrere, come accade durante operazioni di riempimento o blending a bassa sollecitazione. Qui si ottiene la Specific Energy (SE), che viene calcolata durante il movimento delle alette verso l’alto. 

Come può essere migliorata la scorrevolezza di una polvere

Come già anticipato, la scorrevolezza della polvere è un aspetto cruciale in molti processi industriali, come quello farmaceutico, alimentare e chimico. Migliorare la scorrevolezza può facilitare la lavorazione, ridurre i problemi di blocco e ottimizzare la formulazione. Ecco alcuni modi per raggiungere questo obiettivo:

• Aumentando le dimensioni: l’aumento delle dimensioni delle particelle può ridurre la resistenza al flusso e migliorare la scorrevolezza. Le polveri più grandi tendono a non aggregarsi facilmente, consentendo un movimento più fluido;
• Modificando la forma delle particelle: la forma delle particelle gioca un ruolo fondamentale nella scorrevolezza. Particelle più sferiche, ad esempio, possono incastrarsi meno tra loro, semplificando il flusso. La progettazione di particelle con superfici lisce e angolari ridotte può contribuire ulteriormente alla scorrevolezza;
• Aggiungendo eccipienti di scorrimento: l’aggiunta di eccipienti, come il talco o il magnesio stearato, può migliorare notevolmente la scorrevolezza di una polvere. Questi additivi riducono l’attrito tra le particelle e favoriscono un flusso più regolare.