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Beim Mischen von Pulvern entstehen Pulvermischungen mit unterschiedlichen Strukturen.

Dieser Artikel geht auf folgende Punkte ein:

Die Anordnung der Strukturen, die in Pulvermischungen entstehen können
Die Unterschiede in diesen Anordnungen
Die Entnahme von Proben aus einer Pulvermischung

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Eigenschaften der Pulvermischung

Das Mischen von Feststoffen in Form von Pulvern, Körnern und Granulaten ist eine häufige und weit verbreitete Tätigkeit. Es handelt sich um eine sehr umfangreiche und global verbreitete Aktivität. Es gibt eine große Vielfalt an Pulvern und körnigen Materialien, die gemischt werden. Dazu gehören Stoffe, die von Verbrauchern täglich verwendet werden, wie Milchpulver, Waschmittel, Kaffee, Tee, Kakao usw. Aber auch in industriellen Umfeldern werden Stoffe gemischt. Beispiele hierfür sind Pulver wie Dünger, Premixe, Medikamente sowie Produkte wie Make-up oder Proteinpulver.

Um zu einer aussagekräftigen Bewertung der Pulvermischung zu kommen, ist eine zuverlässige Definition der Pulvermischung erforderlich. Dies erscheint selbstverständlich. Die nachfolgende Erklärung über mögliche Anordnungen und Strukturen von Pulvermischungen zeigt jedoch, dass bei der Umsetzung von Pulvermischungen Vorsicht geboten ist.

Perfekte Mischung

Die Anordnung von Pulvermischungen

Sowohl für Fachleute als auch für Außenstehende ist das Mischen eine alltägliche Tätigkeit, sodass eine gute Durchmischung oft als selbstverständlich angesehen wird. Selbst in Prozessen, bei denen die Homogenität der Mischung direkt vom Mischvorgang abhängt, wird fälschlicherweise davon ausgegangen, dass das Endprodukt eine völlig homogene Zusammensetzung aufweist.

Dieses Missverständnis gilt insbesondere für Pulvermischungen, die teilweise aus extrem feinen Partikeln bestehen, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind. Von diesen Partikeln wird häufig erwartet, dass sie eine gleichmäßige Verteilung aufweisen.

Zur präzisen Beschreibung der Partikelverteilung in einer Pulvermischung kann die folgende Klassifizierung herangezogen werden:

Perfekt verteilt
Zufällig verteilt
Teilweise Entmischung (Segregation)

In der Praxis weicht die tatsächliche Partikelverteilung in einer Mischung meist von der idealen, perfekten Verteilung ab. Eine gewisse Heterogenität ist unvermeidlich und wird oft durch unvollständiges Mischen, Agglomeration oder Segregation verursacht.

Zufällige Mischung

Unterschied zwischen einer perfekten und einer zufälligen Verteilung in einer Mischung

Eine Verteilung wird als perfekt und gleichmäßig betrachtet, wenn sich alle Partikel zu 100 % regelmäßig und homogen zwischen den anderen Partikeln befinden – ähnlich wie Atome in einem perfekten Kristallgitter. Jedes entnommene Probenmuster aus einer Pulvermischung mit perfekter Verteilung würde exakt dieselbe Partikelanordnung aufweisen. In der Praxis ist eine solche perfekte Verteilung jedoch nur dann realisierbar, wenn die Partikel einzeln und gezielt in die Mischung eingebracht werden.

In realen Mischprozessen können sich Pulverpartikel zwar teilweise frei bewegen, werden aber gleichzeitig durch verschiedene physikalische Eigenschaften in ihrer Beweglichkeit eingeschränkt. Dadurch entsteht bei der Durchmischung eine zufällige Verteilung der Partikel. Eine Probe aus einer solchen Mischung zeigt eine zufällige Anzahl von Partikeln derselben Art in unmittelbarer Nähe zueinander. Diese Verteilung folgt einer binomialen Wahrscheinlichkeitsverteilung.

Teilweise Entmischung (Segregation)

Das Prinzip hinter dem Tap-Density-Tester ist das Hausner-Verhältnis. Dabei wird davon ausgegangen, dass stark kohäsive Pulver auch starke gegenseitige Anziehungskräfte besitzen. Diese helfen, die Schwerkraft zu überwinden, sodass die Partikel sich selbst in leeren Räumen stützen können

Welche Strukturen haben die verschiedenen Arten von Agglomeraten?

In Pulvermischungen, in denen die Kohäsion zwischen den verschiedenen Pulverpartikeln dominiert, bilden sich beim Mischen Agglomerate.

Wenn ein Agglomerat entsteht, das aus einem Partikel einer bestimmten Art und einer festen Anzahl von Partikeln einer anderen Art besteht und diese Agglomerate innerhalb der Pulvermischung eine zufällige Position zueinander einnehmen, spricht man von einer idealen zufällig geordneten Pulververteilung.

Bestehen die Agglomerate hingegen aus einem Partikel einer bestimmten Art und einer zufälligen Anzahl von Partikeln einer anderen Art, wird dies als zufällig geordnete Pulververteilung bezeichnet. Diese Verteilung ist weniger homogen im Vergleich zur idealen zufällig geordneten Pulververteilung.

Wie entsteht Segregation?

Pulvermischungen mit komplexen Strukturen sowie Mischungen, die im Laufe der Zeit Texturveränderungen und Segregation aufweisen, sind schwer zu beschreiben und zu charakterisieren. Abhängig von der angewandten Mischmethode können im Gemisch Bereiche mit unterschiedlichen Konzentrationen entstehen. Zudem können Totzonen im Mischer oder eine reduzierte Mischgeschwindigkeit an bestimmten Stellen zu Bereichen mit erhöhter Segregation führen.

Im Gegensatz zu Mischungen, in denen sich die Partikel frei bewegen können, entstehen in Mischungen, bei denen die Kohäsion zwischen den Partikeln eine größere Rolle spielt, verschiedene Arten von Agglomeraten.

Name: Juul Jenneskens
Berater

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Die Probenahme einer Pulvermischung

Die Messung der Pulvereigenschaften steht und fällt mit einer repräsentativen Probe. Es ist erforderlich, zu verschiedenen Zeitpunkten eine Probe zu entnehmen. Eine einzelne Probe aus der gesamten Masse würde ein verzerrtes Bild liefern. Eine repräsentative Messung kann durchgeführt werden, indem mehrere kleine Proben aus verschiedenen Teilen der Gesamtmasse entnommen werden. Dabei müssen zwei Aspekte berücksichtigt werden: Die Probe muss zu unterschiedlichen Zeitpunkten und aus einem bewegenden Strom entnommen werden.

Es gibt zwei Methoden zur Entnahme einer Probe aus einer Gesamtcharge: Zusammenführen und Homogenisieren der Proben: Dabei werden die einzelnen Proben zu einer homogenen Pulvermischung kombiniert und analysiert. Einzelmessung jeder Probe: Hierbei wird von jeder entnommenen Probe eine kleine Menge Pulver analysiert, und anschließend wird der Durchschnitt der einzelnen Messwerte berechnet.

Die zweite Methode hat einen wesentlichen Vorteil gegenüber der ersten: Sie liefert wertvolle Erkenntnisse über die Verteilung der Pulvereigenschaften innerhalb der Charge. Der Nachteil dieser Methode ist jedoch der höhere Analyseaufwand. Die Entscheidung für eine der beiden Probenahmemethoden hängt daher vom jeweiligen Prozess ab.