Welche Mischsysteme unterstützen das Dispergieren von Agglomeraten in Keramikpulvern vor dem Formgebungsprozess?
Die Desagglomeration keramischer Pulver ist ein wichtiger Schritt vor dem Formgebungsprozess. Weiche Agglomerate können durch Van-der-Waals-Kräfte, Feuchte, elektrostatische Wechselwirkungen oder unvollständige Benetzung entstehen. Bleiben sie im System erhalten, können sie zu Inhomogenitäten, Poren, Dichtegradienten oder Defekten im Grün- und Sinterkörper führen. Harte Aggregate, die bereits während Synthese oder Kalzinierung entstanden sind, lassen sich dagegen nicht immer ohne unerwünschte Zerkleinerung der Primärpartikel auflösen.
Die geeignete Technik hängt davon ab, ob das keramische Material als niedrigviskoser Schlicker, als hochkonzentrierte Suspension, als plastische Masse oder als trockenes Pulver verarbeitet wird. Ebenso entscheidend sind Agglomeratfestigkeit, Feststoffgehalt, Zielkorngröße, zulässiger Fremdabrieb und die Anforderungen des nachfolgenden Formgebungsverfahrens. Eine vollständige Desagglomeration ist nicht in jedem Fall das Ziel: Bei sprühgetrockneten Pressgranulaten kann eine definierte Granulatstruktur ausdrücklich erwünscht sein. Dann geht es vor allem darum, störende Grobpartikel oder harte Agglomerate zu entfernen, ohne die pressfähige Granulatstruktur unnötig zu zerstören.
Für niedrig- bis mittelviskose Schlicker und Glasuren werden häufig Rotor-Stator-Systeme eingesetzt. Der Rotor beschleunigt die Suspension, während das Material durch den engen Spalt zum Stator geführt wird. Dadurch entstehen hohe lokale Scherkräfte und Turbulenzen, die Benetzung, Einmischung und Auflösung weicher Agglomerate unterstützen. Rotor-Stator-Mischer eignen sich besonders als schneller Batch- oder Inline-Schritt, wenn Pulver in eine Flüssigkeit eingezogen und gleichmäßig verteilt werden soll. Ihre Wirkung ist jedoch abhängig von Spaltgeometrie, Drehzahl, Umlaufzahl, Feststoffgehalt und Dispergiermittel. Bei sehr harten Agglomeraten oder bei der Forderung nach einer engen Feinstkornverteilung reichen sie allein oft nicht aus.
Rührwerkskugelmühlen, Perlmühlen und Attritoren gehören zu den wirksamsten Systemen für die Fein- und Feinstdispergierung keramischer Suspensionen. Mahlkörper aus verschleißbeständigen Werkstoffen übertragen Prall-, Scher- und Reibkräfte auf Agglomerate. Damit können auch festere Agglomerate deutlich reduziert werden. Solche Systeme werden beispielsweise für Aluminiumoxid-, Zirkonoxid-, Siliziumcarbid- oder andere Hochleistungskeramik-Suspensionen eingesetzt, wenn eine sehr homogene Verteilung feiner Partikel erforderlich ist. Das Mahlkörpermaterial muss auf die Keramik abgestimmt werden, da Medienabrieb zu Kontamination führen kann. Ebenso muss die Mahlzeit begrenzt und überwacht werden, damit nicht unnötig Primärpartikel geschädigt, unerwünschte Phasenveränderungen ausgelöst oder zu viele Feinanteile erzeugt werden. Untersuchungen zu Titandioxid-Nanopartikeln zeigen beispielsweise, dass sowohl Mahlkörpermühlen als auch Ultraschall zur Desagglomeration eingesetzt werden können, ihre Wirkung aber stark von Partikelgröße und Feststoffgehalt abhängt.
Für hochviskose keramische Massen und Feedstocks, etwa bei der keramischen Spritzgießtechnik, kommen Planetenmischer, Doppelplanetenmischer oder Kneter in Betracht. Sie verbinden eine großvolumige Durchmischung mit einer hohen lokalen Scher- und Knetbeanspruchung. Dadurch können Binder, Weichmacher und keramische Pulver gleichmäßig verteilt und vorhandene Pulveragglomerate aufgeschlossen werden. Bei feinen und agglomerationsanfälligen Pulvern werden für die Herstellung keramischer Feedstocks häufig Chargenprozesse mit Planeten- oder Z-Kneter-Mischern eingesetzt. Eine gleichmäßige Binderverteilung ist dabei wesentlich, weil sie das Fließverhalten des Feedstocks und das Schwindungsverhalten nach dem Sintern beeinflussen kann.
Intensivmischer nach dem Gegenstromprinzip können für trockene, feuchte oder plastische keramische Massen geeignet sein. Ein rotierender Mischbehälter und ein separat angetriebenes Mischwerkzeug erzeugen Relativbewegungen mit Prall-, Reib- und Scheranteilen. Damit lassen sich Komponenten einmischen, Feuchte oder Binder verteilen und weiche Agglomerate aufbrechen. Bei sprühgetrockneten Granulaten für das Trockenpressen ist jedoch Vorsicht erforderlich: Zu hohe Intensität kann die bewusst erzeugte Granulatstruktur zerstören, den Feinanteil erhöhen und dadurch Füll- und Pressverhalten verändern. In solchen Anwendungen sind Mischintensität und Verweilzeit auf die erforderliche Produktkonditionierung zu begrenzen.
Strahlmühlen können trockene Pulver durch Partikel-Partikel- und Partikel-Prallflächen-Kollisionen feiner zerkleinern oder Agglomerate lösen. Sie eignen sich insbesondere, wenn keine Flüssigkeit eingesetzt werden soll und eine enge Kornverteilung benötigt wird. Allerdings sind Strahlmühlen primär Zerkleinerungsaggregate und nicht lediglich Mischer. Sie können daher auch gewünschte Primärpartikel oder Pressgranulate verändern. Ihr Einsatz ist vor allem für trockene Primärpulver, nicht jedoch ohne Weiteres für fertig aufbereitetes Pressgranulat sinnvoll.
Ultraschall kann bei feinen keramischen Suspensionen und Nanopulvern die Wiederdispergierung unterstützen. Die Kavitation erzeugt lokal hohe Kräfte, die weiche Sekundäragglomerate aufbrechen können. Besonders im Labor, bei kleineren Chargen oder als nachgeschalteter Inline-Schritt wird diese Technik eingesetzt. Die erzielbare Wirkung hängt stark von Sonotrodengeometrie, Leistung, Behandlungsdauer, Feststoffgehalt, Temperatur und der chemischen Stabilisierung der Suspension ab. Eine zu lange oder zu intensive Ultraschallbehandlung ist nicht automatisch vorteilhaft, weil sich Partikel erneut agglomerieren können oder die Suspension unerwünscht erwärmt wird. Für Zirkonoxid- und andere Oxidnanopulver wurde Ultraschall als wirksame Methode zur Reduzierung sekundärer Partikelgrößen beschrieben.
Die mechanische Beanspruchung allein sichert noch keine dauerhaft stabile Dispersion. Dispergierhilfsmittel senken die Grenzflächenspannung, verbessern die Benetzung und können durch elektrostatische oder sterische Stabilisierung die erneute Agglomeration begrenzen. Die Wahl von Dispergiermittel, pH-Wert, Ionenstärke und Zugabereihenfolge ist mindestens ebenso wichtig wie die Wahl des Misch- oder Mahlaggregats. Für stabile keramische Suspensionen müssen diese chemischen Parameter mit Feststoffgehalt, Partikeloberfläche und dem nachfolgenden Formgebungsprozess abgestimmt werden. Bei Zirkonoxid- und Aluminiumoxid-Suspensionen wird die Stabilisierung beispielsweise häufig über adsorbierte Polyelektrolyte und eine gezielte Einstellung der Wechselwirkungen zwischen den Partikeln erreicht.
Die Prozesskontrolle sollte nicht nur auf Mischzeit oder Motorleistung beruhen. Sinnvolle Qualitätsmerkmale sind Partikelgrößenverteilung, Anteil grober Agglomerate, Viskosität beziehungsweise Fließkurve, Sedimentationsverhalten, Zeta-Potenzial bei kolloidalen Systemen, Grünrohdichte und Defektrate nach dem Sintern. Erst die Verbindung aus geeigneter Dispergierchemie, passendem Energieeintrag und analytischer Prüfung zeigt, ob die gewünschte Aufbereitung tatsächlich erreicht wurde.
So unterstützt amixon® die Desagglomeration keramischer Pulver
In der keramischen Aufbereitung müssen Agglomerate gezielt behandelt werden. Dabei ist zwischen weichen, durch Lagerung, Feuchte oder unvollständige Benetzung entstandenen Agglomeraten und harten Aggregaten zu unterscheiden. Weiche Agglomerate lassen sich häufig durch einen dosierten mechanischen Energieeintrag auflösen. Harte Aggregate erfordern gegebenenfalls eine intensivere Behandlung oder ein separates Mahlverfahren. Gleichzeitig darf eine gewünschte Granulatstruktur, etwa bei sprühgetrockneten Pressgranulaten, nicht unnötig zerstört werden.
amixon® trennt deshalb die Aufgaben Homogenisieren und Desagglomerieren. Das SinConvex®- oder SinConcave®-Helixmischwerk übernimmt die dreidimensionale Umwälzung und makroskopische Homogenisierung der Gesamtcharge. Die Umfangsgeschwindigkeit und Mischdauer werden produktspezifisch eingestellt, um den Energieeintrag zu begrenzen und die Granulatstruktur möglichst zu erhalten. Ein vollständiger Ausschluss von Erwärmung oder Partikelbeanspruchung ist dabei nicht generell zusagbar; beide Größen müssen für das konkrete Keramikpulver bestimmt und überwacht werden.
Falls eine gezielte Desagglomeration erforderlich ist, können separat angetriebene Schneidrotoren eingesetzt werden. Diese arbeiten lokal in einer begrenzten Bearbeitungszone und erzeugen dort Scher-, Prall- und Reibbeanspruchungen. Ihre Drehzahl, Bestückung und Einsatzdauer lassen sich unabhängig von der Drehzahl des Hauptmischwerks einstellen. Damit kann der Prozess von einer schonenden Auflösung weicher Agglomerate bis zu einer intensiveren Desagglomeration geführt werden. Ob harte Agglomerate ohne Veränderung der Primärpartikel aufgelöst werden können, hängt von Material, Feststoffgehalt, Feuchte, Agglomeratfestigkeit und Zielkörnung ab. amixon® beschreibt Schneidrotoren als Ausstattungsmerkmal, das unter anderem zur Feinverteilung und zum Aufbrechen von Klumpen bis hin zu Primärpartikeln eingesetzt werden kann.
Wenn eine vorhandene Agglomerat- oder Granulatstruktur bewusst erhalten werden soll, wird auf Schneidrotoren verzichtet oder deren Einsatz auf ein Minimum begrenzt. Dann stehen eine niedrige Mischintensität, eine schonende Werkzeuggeometrie und eine angepasste Mischzeit im Vordergrund. Für empfindliche Pulver und Granulate eignen sich je nach Chargengröße beispielsweise vertikale Einwellenmischer, Konusmischer sowie der KoneSlid®-Mischer. Für großvolumige Chargen keramischer Massen kann der Gyraton®-Mischer eingesetzt werden. amixon® nennt für den Gyraton®-Mischer typische Chargengrößen von etwa 10 bis 100 m³.
Keramische Pulver können stark abrasiv sein. Deshalb bietet amixon® je nach Anwendung verschleißgeschützte Ausführungen an. Dazu zählen verschleißbeständige Grundwerkstoffe, Hartauftragschweißungen mit Wolfram- oder Chromkarbiden, austauschbare Schutzelemente, keramische Beschichtungen sowie Hartmetall- oder Hochleistungskeramikplatten. Die geeignete Ausführung richtet sich nach Härte, Korngröße, Durchsatz, Mischintensität und zulässiger Kontamination des Keramikprodukts. Gerade bei hochreinen technischen Keramiken muss geprüft werden, ob Werkstoffe, Beschichtungen und möglicher Abrieb mit der geforderten Produktspezifikation vereinbar sind.
Eine Nassaufbereitung ist für amixon® vor allem dann relevant, wenn auf die Benetzung, Aufbereitung oder Reaktion ein Trocknungsschritt folgt. Dafür können Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren, etwa die Baureihen VMT oder AMT, eingesetzt werden. Diese Apparate verarbeiten Pulver, Suspensionen, Pasten und Teige und kombinieren dreidimensionales Mischen mit Temperierung und Vakuum. Schneidrotoren können die Desagglomeration während der Trocknung unterstützen und dadurch den Wärme- und Stoffübergang beeinflussen. Sie ersetzen jedoch nicht grundsätzlich eine Nassmahlung oder eine Rührwerkskugelmühle, wenn eine eng definierte Feinstdispergierung bis in den Submikronbereich erforderlich ist.
Vor der Auslegung empfiehlt sich ein Versuch mit dem Originalprodukt. Im Technikum können Mischwerkzeug, Schneidrotor, Drehzahl, Bearbeitungszeit, Füllgrad und gegebenenfalls die Temperatur- oder Vakuumführung variiert werden. Die Bewertung sollte neben der Mischgüte auch die Partikelgrößenverteilung vor und nach der Behandlung, den Anteil grober Agglomerate, den Abrieb, die Fließfähigkeit, die Grünrohdichte sowie die Auswirkungen auf den anschließenden Formgebungs- und Sinterprozess einschließen. So lässt sich feststellen, ob die Desagglomeration ausreichend ist, ohne die gewünschte Granulat- oder Partikelstruktur übermäßig zu verändern.