Die Bedeutung von Mischprozessen und Mischmechanismen

Die endgültigen Eigenschaften vieler Produkte werden häufig maßgeblich durch Mischprozesse bestimmt. Das Mischverfahren entscheidet in vielen Fällen darüber, wie die verschiedenen Komponenten in der Mischung verteilt werden. Bei der Herstellung vieler zusammengesetzter Produkte erfolgt das Mischen, bevor das Endprodukt geformt wird. Die Erzielung einer akzeptablen Mischqualität und einer ausreichend homogenen Mischung wird während der Mischphase festgelegt. Beispielsweise muss bei der Herstellung von Medikamenten sichergestellt werden, dass jede Tablette eine gleichmäßige Zusammensetzung aufweist und die Wirkstoffe gleichmäßig verteilt sind.

In der Praxis gibt es oft Erfahrungswissen darüber, wie Mischprozesse optimal eingestellt werden und welche Mischer am besten geeignet sind. Dennoch bleiben vergleichsweise einfache betriebliche Fragen oft unbeantwortet. Ein Grund dafür ist, dass aufwendige und zeitintensive Experimente erforderlich sind, um die optimale Lösung zu finden.

Das Mischen von Pulvern wird oft fälschlicherweise als einer der einfachsten Schritte im Produktionsprozess angesehen. Wissenschaftliche Erkenntnisse über das Verhalten von Pulvermischungen sind jedoch begrenzt. Industriell zu mischende Pulvermischungen bestehen in der Regel aus mehreren Komponenten, die wiederum aus verschiedenen Bestandteilen zusammengesetzt sein können. Flussdiagramme zeigen in der Praxis nur den Materialfluss der einzelnen Komponenten. Fragen wie:

• „Was muss am Mischprozess geändert werden, wenn sich die Zusammensetzung der Komponenten im Pulvermischgut ändert?“
• „Wie wirkt sich eine Erhöhung der Mischgeschwindigkeit auf die Qualität aus?“
• „Wo sollten Kleinkomponenten oder Flüssigkeiten im Mischer am besten zugeführt werden?“
• „Kann die Mischzeit verkürzt werden, wenn die Rotationsgeschwindigkeit erhöht wird?“

bleiben häufig unbeantwortet.

Mischprinzipien von Pulverpartikeln

Damit eine Pulvermischung homogen gemischt werden kann, müssen die Pulverpartikel mobil sein. Die Partikel benötigen von außen zugeführte Energie, um sich zu bewegen. Diffusion, wie sie in Flüssigkeiten auftritt, findet in Pulvermischungen nicht statt. Die Energie zur Bewegung der Partikel kann auf verschiedene Weise zugeführt werden: durch rotierende Wellen mit Paddeln oder durch einen Rührarm, der sich durch das Pulver bewegt, durch Schwerkraft oder durch eine Kombination dieser beiden Methoden. Wie gut die Mischung dadurch erfolgt, hängt zudem von verschiedenen physikalischen Eigenschaften der Partikel ab, wie der Reibung zwischen den Partikeln und der Kohäsion.

Eine bemerkenswerte Eigenschaft von Pulvern und Pulvermischungen ist, dass sie sich sowohl wie ein Feststoff als auch wie eine Flüssigkeit oder ein Gas verhalten können. Im Gegensatz zu Flüssigkeiten können Pulver Kräfte auf unterschiedliche Weise gleichzeitig übertragen, beispielsweise über innere Reibung, Van-der-Waals-Kräfte, kapillare Kräfte und elektrostatische Wechselwirkungen.

Pulvermischungen werden in zwei Kategorien unterteilt: frei fließend oder kohäsionsgetrieben. In der Praxis handelt es sich jedoch um ein fließendes Spektrum. Die Kohäsion nimmt mit der Größe der Partikel quadratisch ab. Van-der-Waals-Kräfte und Kapillarkräfte dominieren bei Partikeln unter 500 Mikrometern und nehmen proportional zur Partikeldurchmesser zu. Empirisch wurde festgestellt, dass für Partikel kleiner als 100 Mikrometer Kohäsion häufig die dominierende Kraft ist, während Pulver oberhalb dieser Grenze meist als frei fließend betrachtet werden kann. Allerdings spielen auch andere Pulvermerkmale eine Rolle bei den Fließeigenschaften.

Auf makroskopischer Ebene kann es innerhalb eines Pulvermischs Partikel unter 100 Mikrometern geben, bei denen die Kraftübertragung durch Kohäsion dominiert. In solchen Fällen sind insbesondere die Größe und Form der Partikel entscheidend für das Fließverhalten. Bei der Mischung von Pulverpartikeln muss dies berücksichtigt werden.

Die Charakterisierung der einzelnen Pulverpartikel in einer Mischung reicht nicht aus, um vorherzusagen, wie sie sich während des Mischprozesses verhalten. Anders ausgedrückt: Das Fließverhalten einer Mischung kann sich erheblich vom Verhalten einzelner Komponenten unterscheiden. In der Regel bestimmt die Hauptkomponente das Fließverhalten der Mischung, aber dies gilt nicht für alle Mischungen.

Schließlich ist es wichtig zu berücksichtigen, dass sich während des Mischprozesses die Form von Pulverpartikeln verändern oder diese agglomerieren können. Dadurch kann sich das Fließverhalten erneut ändern.