Dieser Artikel behandelt das Thema Mischung versus Segregation.

Folgende Themen werden behandelt:

  • Die Mischmechanismen
  • Die Segregationsmechanismen
  • Wann diese Mechanismen auftreten

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Die drei Mischmechanismen

Sowohl für die Mischung als auch für die Segregation einer Pulvermischung ist die Mobilität der Pulverpartikel erforderlich.

Wie im Artikel über Mischprozesse und Mischmechanismen beschrieben, basiert die Funktionsweise industriell eingesetzter Mischer nahezu immer auf einem oder mehreren der folgenden drei Mechanismen:

  • Konvektion
  • Diffusion
  • Scherung

Beim Mischen durch Konvektion werden dynamische Bereiche von Pulverpartikeln durch den Mischer bewegt. Diese Bereiche sind dynamisch, da sie sich kontinuierlich verändern. Sie werden beispielsweise durch Mischwellen oder durch Zentrifugalkräfte in einer Trommel angetrieben. Durch Konvektion kann das Ausmaß der Segregation schnell reduziert werden.

Ähnlich wie beim Mischen von Flüssigkeiten kann beim Mischen einer Pulvermischung Diffusion auftreten. Im Gegensatz zur oben beschriebenen Konvektion ist Diffusion jedoch ein relativ langsamer Mechanismus, der bewirkt, dass sich Pulverpartikel einzeln im Gemisch verteilen.

Scherung entsteht, wenn sich zwei dynamische Bereiche eines Pulvermischs mit unterschiedlicher Geschwindigkeit entlang einer Kontaktfläche bewegen. An dieser Kontaktfläche kann Scherung auftreten. Einzelne Pulverpartikel können dabei unabhängig voneinander von einem Bereich in den anderen übergehen.

Der Anteil dieser Mechanismen variiert für jede Pulvermischung und für jeden Mischer und kann sich im Laufe des Mischprozesses verändern. Beim Design eines Mischers muss die Berücksichtigung dieser Mischmechanismen in die Konstruktion einfließen.

Mengen - diffusie
Illustratie over diffusie mengen
Mengen - convectie
Illustratie van convectie menging

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

Die drei Segregationsmechanismen

Im Artikel Segregation in der Pulvermischung wird beschrieben, auf welchen grundlegenden Mechanismen Segregation basiert und wie diese Mechanismen funktionieren. Dabei handelt es sich um:

  • Kugelbahn-Prinzip
  • Elutriation
  • Perkolation

Segregation nach dem Kugelbahn-Prinzip basiert darauf, dass Pulverpartikeln eine Anfangsgeschwindigkeit in horizontaler Richtung mitgegeben wird, bevor sie in den freien Fall übergehen. Während des Falls nimmt die horizontale Geschwindigkeit der Partikel ab, während die vertikale Geschwindigkeit aufgrund der Schwerkraft zunimmt. Aufgrund der unterschiedlichen Widerstände, die die Partikel in der Luft erfahren, sowie durch Unterschiede in Dichte, Form und Größe, landen sie an verschiedenen Stellen auf der Bodenfläche.

Segregation durch Elutriation tritt auf, wenn eine Flüssigkeit oder ein Gas durch ein Partikelbett mit unterschiedlich großen Partikeln strömt. Die kleineren Partikel werden durch die Strömung aufgenommen und transportiert, während die größeren Partikel im Bett zurückbleiben.

Segregation durch Perkolation kann auftreten, wenn es in einer Pulvermischung große Unterschiede zwischen feinen Partikeln und gröberen Bestandteilen gibt. Wenn eine solche Pulvermischung Vibrationen ausgesetzt wird, bewegen sich die kleineren Partikel aufgrund der Kombination aus Vibration und Schwerkraft nach unten. Im unteren Bereich der Pulvermischung nehmen sie eine Position zwischen den gröberen Partikeln ein, während im oberen Bereich fast ausschließlich die groben Bestandteile verbleiben.

Bestimmte Komponenten des Mischers und der Mischprozess selbst können unbeabsichtigt Segregation auslösen. Eine sich durch die Pulvermischung bewegende Schaufel eines Mischers kann beispielsweise dazu führen, dass sich bestimmte Partikel an bestimmten Stellen ansammeln. Selbst wenn eine gut durchmischte Pulvermischung zu einem Haufen geschüttet wird, kann ungewollte Segregation auftreten. 

Wie erkennt man, welches Mechanismus vorliegt?

Es ist schwer vorherzusagen, welche Mechanismen während des Mischprozesses am aktivsten sein werden. Ebenso ist es schwierig im Voraus zu bestimmen, ob die Mischmechanismen oder die Segregationsmechanismen dominieren werden. In jedem Fall wird der Mischer Kräfte auf die Pulverpartikel im Gemisch übertragen und dabei eines oder mehrere Misch- und Segregationsmechanismen in Gang setzen. Unvermeidlich ist, dass die Pulverpartikel der Schwerkraft ausgesetzt sind und untereinander Kräfte ausüben.

Segregation kann einen erheblichen Einfluss haben, insbesondere wenn die Bestandteile einer Pulvermischung stark unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen und die Pulverpartikel sich relativ frei bewegen können.

Wenn hingegen Kohäsion die dominierende Kraft zwischen den Pulverpartikeln ist, wird die Pulvermischung in der Regel gut durchmischt und stabil bleiben.