Miscelazione intensiva
Nanodisperse Schüttgüter rieseln nicht, sie kleben aneinander. Sie neigen zur Klumpenbildung. Dies ist besonders kritisch bei sehr kleinen Partikeln, etwa im Nano- oder Submikronbereich. Dann dominieren die interpartikulären Haftkräfte das Stoffverhalten. Je kleiner der Partikelradius r, desto dominanter sind die Adhäsionskräfte Fadh. Für die Gewichtskraft F oder Fgrav gilt im Falle kugelrunder Partikel:
Fgrav = g · m = ρ · 4/3 · π · r3 · g
m: Gewichtskraft
g: Gravitationsbeschleunigung
ρ: Dichte des Feststoffs
r: idealisierter Radius der Partikel
Diese Adhäsionskräfte: Das sind Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Anziehung oder Kapillarkräfte. Sie übersteigen die Schwerkraft Fgrav der Partikel oft tausenfach. Die Kraftverhältnisse lassen sich anschaulich mit der Bond-Zahl "Bo" ausdrücken:
Bo = Fadh/Fgrav ∝ 1/r2
Dabei ist Fadh die Haftkraft zwischen Partikeln, Fgrav ihre Gewichtskraft. Für Nanopartikel gilt wenn die Partikel kugelrund sind:
Fadh ∝ r Fgrav ∝ r3
Die Folge ist ein stark eingeschränktes Fließverhalten. Die Partikel haften aneinander, bilden Mikroagglomerate und lassen sich nur schwer verarbeiten. Um diese Agglomerate zu vereinzeln, sind hohe Scherkräfte erforderlich. Dies gelingt beispielsweise mit Luftstrahlmühlen, Scherdispersern oder Hochleistungsmischern.
amixon® bietet zwei Lösungen:
- High-Shear-Blades
- Rotor-Stator-Systeme
Beide Systeme erzeugen lokal sehr hohe Schergradienten durch Prall- und Reibeffekte. Dadurch werden Agglomerate aufgelöst und Primärpartikel vereinzelt. Kritisch ist, dass die Partikel sich nicht sofort wieder neu verklumpen dürfen. Deshalb sollten sie schnell mit anderen, ähnlich großen Partikeln des Mischgutes ummantelt werden. Manchmal ist es ratsam, geeignete Flüssigstoffe einzubringen, um die Reagglomeration zu verhindern. Auch diese müssen effizient ins Pulver eingemischt werden.
Für solche Prozesse eignen sich Präzisionsmischer von amixon® besonders gut, weil sie zwei zentrale Anforderungen erfüllen.
- Hohe Mischgüte für die Gesamtcharge, egal ob der Füllgrad des Mischers klein (100 Liter) oder groß ist (mehrere Kubikmeter).
- Effiziente Mikro-Dispergierung: Der Mischer kann durch hohe Energiedichte auch feinste Agglomerate zuverlässig vereinzeln.
Erläuterung zur Größe der Haftkraft zwischen kleinen Partikeln:
Fadh ≈ A·r/(6·D2)
A: Hamaker-Konstante (Materialeigenschaft)
D: Abstand zwischen den Partikeln
r: Partikelradius
Die Haftkraft zwischen zwei Partikeln wächst linear mit dem Partikelradius r. Sie wächst umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands D zwischen den Partikeloberflächen:
Fadh ∝ r/D2
Das bedeutet: Je dichter die Partikel zusammenliegen, desto stärker haften sie aneinander. In einem verdichteten Pulverbett werden die Partikelabstände D sehr klein. Dadurch steigt die Adhäsionskraft massiv an. Das erklärt zugleich die hohe Festigkeit von Bauelementen aus Sintermetall und gesinterter Ingenieurkeramik.