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Wissen Sie, wie Pulver aufgrund schwacher molekularer Kräfte verklumpen?
Ein Pulver ist ein trockener Feststoff, der aus vielen sehr feinen Partikeln besteht und beim Schütteln oder Kippen frei fließt. Pulver gelten als eine spezielle Unterkategorie körniger Materialien, obwohl die Begriffe „Pulver“ und „Körnung“ manchmal verwendet werden, um zwischen den verschiedenen Materialkategorien zu unterscheiden. Mit Pulver sind Materialien gemeint, die feine Partikel aufweisen und daher beim Fließen eher Klumpen bilden, während sich Granulate im Allgemeinen auf Materialien beziehen, die gröbere Partikel aufweisen und im Allgemeinen keine Klumpen bilden, außer wenn sie nass sind.
Viele Industriegüter liegen in Pulverform vor, beispielsweise Mehl, Zucker, gemahlener Kaffee, Milchpulver, Toner für Fotokopierer, Schießpulver, Kosmetikpuder und einige Medikamente.
In der Natur sind Staub, feiner Sand und Schnee, Vulkanasche sowie die oberste Erdschicht auf der Mondoberfläche Beispiele für Pulver. Aufgrund ihrer Bedeutung in der Industrie, Medizin und den Geowissenschaften werden Pulver von Chemieingenieuren, Maschinenbauingenieuren, Chemikern, Physikern, Geologen und Forschern anderer Bereiche eingehend untersucht.
Mechanische Eigenschaften von Pulvern
Pulver weisen im verdichteten bzw. losen Bereich grundsätzlich eine deutlich höhere Gesamtdichte auf als grobkörnige Werkstoffe. Beim Streuen kann ein Pulver sehr leicht und flockig erscheinen; durch Vibration oder Kompression kann es jedoch sehr dicht werden und sogar seine Fließfähigkeit verlieren. Im Gegensatz dazu ändert sich die Gesamtdichte von grobem Sand nicht wesentlich. Das Agglomerationsverhalten von Pulvern beruht auf molekularen Van-der-Waals-Kräften, die dafür sorgen, dass einzelne Partikel aneinander haften. Diese Kraft ist nicht nur in Pulverform vorhanden, sondern auch in Sand und Kies. Bei diesen grobkörnigen Materialien sind allerdings das Gewicht und die Trägheit der einzelnen Partikel viel größer als die sehr schwachen Van-der-Waals-Kräfte, sodass die winzigen Anhaftungen zwischen den Partikeln keinen dominierenden Einfluss auf das Gesamtverhalten des Materials haben. Nur wenn die Partikel sehr klein und leicht sind, dominieren die Van-der-Waals-Kräfte und führen dazu, dass das Material pulverförmig agglomeriert.
Die Grenze zwischen dem Fließzustand und dem viskosen Zustand kann durch einfache Experimente bestimmt werden.
Viele weitere Verhaltensweisen von Pulvern sind gemeinsame Eigenschaften aller körnigen Materialien, darunter Klassifizierung, Schichtung, Blockieren und Entblockieren, Sprödigkeit, Verlust kinetischer Energie, Reibungsscherung, Verdichtung und Reynolds-Expansion.
Transport von Pulvern
Staubstoffe werden anders durch die Atmosphäre transportiert als grobe Partikel. Erstens müssen winzige Partikel kaum mit der Trägheit des umgebenden Gases fertig werden, sodass sie dazu neigen, sich mit der Strömung zu bewegen und sich nicht geradlinig fortzubewegen. Daher kann beim Einatmen des Pulvers eine Gefahr bestehen. Größere Partikel können die körpereigenen Abwehrkräfte in den Nasen- und Nebenhöhlenhöhlen nicht durchdringen, bleiben aber an den Schleimhäuten haften. Der Körper scheidet die Partikel dann durch Schleim aus. Kleinere Partikel hingegen können direkt in die Lunge gelangen und nicht ausgeschieden werden.
Der Kontakt mit bestimmten Pulvern ohne ausreichenden Atemschutz kann zu schweren und manchmal tödlichen Erkrankungen wie Silikose führen.
Wenn die Pulverpartikel klein genug sind, können sie außerdem längere Zeit in der Atmosphäre schweben. Die zufällige Bewegung der Luftmoleküle und Turbulenzen erzeugen eine Aufwärtskraft, die der Abwärtswirkung der Schwerkraft entgegenwirken kann. Grobe Partikel sind dagegen zu schwer und fallen sofort wieder zu Boden. Sobald der Staub aufgewirbelt wird, können große Staubstürme entstehen, die über Kontinente und Ozeane hinwegfegen, bevor sie wieder an die Oberfläche zurückkehren. Dies erklärt, warum in der Natur nahezu kein gesundheitsschädlicher Staub vorkommt.
Explosionsgefahr
Viele industriell hergestellte Pulver sind brennbar, insbesondere metallische oder organische Materialien wie Mehl. Da Pulver eine derart große Oberfläche besitzt, kann es nach der Entzündung mit explosiver Kraft verbrennen. Daher sind Anlagen wie Getreidemühlen, die nicht über geeignete Staubschutzmaßnahmen verfügen, anfällig für solche Explosionen.
Einige Metalle sind in Pulverform besonders gefährlich, vor allem Titan.
Im Vergleich zu anderen Substanzen haben Pulver einzigartige Eigenschaften. Eine trockene Paste oder ein Gel kann sich bei gründlichem Trocknen in ein Pulver verwandeln, im nassen Zustand gilt es jedoch nicht als Pulver, da es nicht frei fließt. Materialien wie trockener Ton sind zwar trockene Feststoffe, die aus sehr feinen Partikeln bestehen, gelten aber nicht als Pulver, sofern sie nicht zerkleinert werden, da die Kohäsionskräfte zwischen den Partikeln zu stark sind, um wie ein Pulver frei zu fließen. Flüssigkeiten fließen anders als Pulver, da sie keiner Scherspannung standhalten können und daher in einem geneigten Winkel nicht stabil bleiben können (d. h. ihr Ruhewinkel beträgt Null). Ein Pulver hingegen ist ein Feststoff, da es Scherspannungen aushalten kann und daher einen Schüttwinkel aufweist.
Das Verhalten von Pulvern ist ein wichtiger Forschungsbereich bei partikulären Materialien und sein Verständnis ist sowohl aus industrietechnischer als auch aus gesundheitlicher Sicht von entscheidender Bedeutung. In diesem wissenschaftlichen Bereich müssen wir stärker darüber nachdenken, wie wir die Eigenschaften dieser winzigen Partikel sicher nutzen können, um das Leben und Arbeiten der Menschen zu verbessern.
