Partikelgrößenverteilung

Die Partikelgrößenverteilung beschreibt, wie sich die Anteile eines Partikelkollektivs auf verschiedene Größenklassen verteilen. Sie ist eine zentrale Kenngröße disperser Systeme – ob Pulver, Suspension oder Emulsion – und wird manchmal auch als Korngrößenverteilung bezeichnet.

Eine enge Partikelgrößenverteilung liegt vor, wenn die meisten Partikel eine ähnliche Größe besitzen. Solche Pulver zeigen meist ein staubarmes Verhalten und überzeugen durch gute Fließ- und Fördereigenschaften – etwa bei schnellen Abfüllprozessen (z. B. Teebeutel‑, Sachet‑ oder Kapselproduktion) oder bei adaptiven Fertigungsverfahren. Auch Instantprodukte sind typischerweise agglomeriert und weisen eine enge Verteilung auf, um ein schnelles Sink‑, Dispergier‑ und Lösungsverhalten zu gewährleisten.
Eine breite Partikelgrößenverteilung beschreibt dagegen ein Schüttgut mit stark unterschiedlichen Korngrößen. Diese Heterogenität ist vorteilhaft, wenn Materialien verdichtet oder agglomeriert werden sollen – etwa in der Pulvermetallurgie, in der Hochleistungskeramik oder bei Prozessen, die eine hohe Schüttdichte und Kompressibilität erfordern.

Die Partikelgrößenverteilung beeinflusst viele Verarbeitungseigenschaften: Fließ‑ und Förderverhalten, spezifische Oberfläche, Reaktivität, Abrasivität, Trocknungs‑ und Sedimentationsverhalten, Löslichkeit, Geschmackseindruck, Agglomerationseignung und vieles mehr.
Messmethoden:

Die klassische Methode zur Bestimmung ist die Siebrückstandsanalyse. Moderne Verfahren wie Laserbeugung, Bildanalyse, dynamische Lichtstreuung oder Sedimentationsanalyse liefern detaillierte Informationen über Anzahl‑, Volumen‑ oder Massenverteilungen.
Fortschrittliche In‑situ‑Sensorik erlaubt heute Echtzeitmessungen direkt im Prozessraum – im bewegten Schüttgutbett eines Mischers, in kontinuierlichen Mahlprozessen oder in Agglomeratoren. So lässt sich die Zielverteilung gezielt einstellen und überwachen.
Darstellungsformen:
Partikelgrößenverteilungen werden häufig grafisch dargestellt, mit dem Äquivalentdurchmesser auf der x‑Achse und einem Mengenmaß (Masse‑, Volumen‑ oder Anzahlanteil) auf der y‑Achse.

• Histogramme (q‑Verteilungen) zeigen die relativen Anteile einzelner Größenklassen.
• Summenkurven (Q‑Verteilungen) eignen sich zur Ermittlung von Perzentilen.
• Logarithmische Skalen erleichtern die Darstellung großer Größenbereiche.

In Zement‑ und Zerkleinerungstechnik ist die Darstellung nach Rosin‑Rammler bzw. Rosin‑Rammler‑Sperling‑Bennett (RRSB) verbreitet. Sie erlaubt durch ihre linearisierte Form den schnellen Vergleich unterschiedlicher Zerkleinerungsprozesse.

Viele natürliche oder prozesstechnisch erzeugte Pulver weisen eine partikelgrößenstatistische Ähnlichkeit zur Gaußschen Glockenkurve auf. Die Wahrscheinlichkeitsdichte einer Normalverteilung wird beschrieben durch:

f(x) = (1 / (x σ √(2π))) exp(- ((ln x - μ)² / (2σ²)))

• f(x): Wahrscheinlichkeitsdichte (Häufigkeit) bei Partikelgröße x
• x: Partikeldurchmesser [µm, mm]
• μ: Mittelwert des logarithmierten Durchmessers (Lageparameter)
• σ: Standardabweichung des logarithmierten Durchmessers (Streuungsparameter)
• ln: Natürlicher Logarithmus
• e: Eulersche Zahl (≈ 2,718)
• π: Kreiszahl Pi (≈ 3,14159)

Praxisbeispiel:
In der Herstellung von Babynahrung spielt neben der Partikelgrößenverteilung auch die Porosität und Festigkeit der Partikel eine Rolle. Sprühtrocknungsverfahren erzeugen poröse Agglomerate, die mit geeigneten Emulgatoren benetzt werden. Dabei ist eine staubarme Produktqualität entscheidend, um Verpackung und Verbraucherfreundlichkeit sicherzustellen.

Das Sprühtrocknungsverfahren begünstigt die Anlagerung geeigneter Emulgatoren an die Partikel. Bei der Handhabung ist zu beachten, dass Staub unerwünscht ist. Staub stört nicht nur den Zubereitungsprozess beim Endverbraucher. Staub ist auch ein Problem für den Verschluss von Verpackungen. Hochleistungsverschlusssiegel sind nur dann dauerhaft dicht, wenn sie staubfrei appliziert werden. Für hochwertige Schüttgüter sind Partikelgrößenverteilungen in der Regel spezifiziert und insofern wichtige Qualitätsparameter.

Je hochwertiger ein Schüttgut ist, desto wichtiger ist dessen Formulierung – die Partikelgrößenverteilung spielt dabei eine zentrale Rolle.