Flüssigkeitsumverteilung in feuchten Granulaten

Abstract

Fügt man einem trockenen Granulat Flüssigkeit hinzu, so formt diese ein Netzwerk aus Kapillarbrücken und komplexeren Flüssigkeitsstrukturen. Abhängig von den Benetzungseigenschaften der Granulatbestandteile bilden sich verschiedene Flüssigkeitsstrukturen aus. Wir untersuchen die Dynamik, mit der sich diese Flüssigkeitsstrukturen im Granulat ausbilden. Als Modellsystem werden monodisperse Glas- und Basaltkugel verschiedener Durchmesser mit jeweils kleinerem und größerem Kontaktwinkel verwendet. Durch Fluidisierung der Probe wird die Packungsgeometrie der Granulatbestandteile verändert und die Flüssigkeitsstrukturen werden im Zuge dessen zerstört. Wir untersuchen mit modernen dreidimensionalen abbildenden Methoden, wie sich die Flüssigkeit umverteilt, sich die Flüssigkeitsstrukturen neu formen und schließlich einen neuen Gleichgewichtszustand erreichen und finden einen Zusammenhang der Umverteilungsgeschwindigkeit mit dem Kugeldurchmessern, der Viskosität der zugegebenen Flüssigkeit und dem hinzugefügten Flüssigkeitsgehalt. Das Ausbleiben der Flüssigkeitsumverteilung für schlecht benetzende Basaltkugeln zeigt, dass der Transport über einen dünnen Flüssigkeitsfilm auf der Kugeloberfläche dominiert wird. Der Einfluss der Flüssigkeitsmorphologien und der Umverteilung auf die mechanischen Eigenschaften eines Granulates wird mit Hilfe einer Scherzelle untersucht, die Einblicke in die Bewegungen von Kugeln und Flüssigkeit ermöglicht.

When adding liquid to dry granulates, the liquid forms a network of capillary bridges and more complex liquid structures. Depending on wettability of the granules and geometry of the granular pile various liquid structures are formed. We explore the dynamics of the liquid equilibrium distribution emerging within granular packs. Monodisperse glass and basalt microspheres of different diameters are used as granules having smaller and bigger contact angles, respectively. By fluidizing the granulate the packing geometry of the granules is changed and the liquid equilibrium structures are destroyed. With modern 3-dimensional imaging technologies we explore how the liquid is re-distributed and how the liquid morphologies are re-formed in a new equilibrium situation. We find a correlation between the bead diameter and the viscosity of the added liquid to the equilibration speed. The absence of the equilibrium process for less-wettable beads indicates that the liquid redistribution is dominated by a thin liquid wetting film on the surface of the beads. The influence of the liquid morphologies and the redistribution process on the mechanical properties of the wet granulate are investigated with a shear cell which gives insights into the movements of the beads an liquid.