Mechanismen bei der Mehrkomponentenzerkleinerung in Rührwerkskugelmühlen

Die Zerkleinerung von partikulären Mehrkomponentensystemen spielt seit jeher eine
große Rolle in der Aufbereitung von heterogenen Rohstoffgemischen. Darüber hinaus
werden für die partikelbasierte Produktgestaltung mit Mehrkomponentensystemen
häufig zunächst Zerkleinerungsprozesse eingesetzt, um die optimale Partikelgröße
des jeweiligen Materials einzustellen, und anschließend intensive Mischprozesse
nachgeschaltet zur Homogenisierung der Komponenten.
Die Herstellung von feinen Partikeln bis in den Nanometerbereich und deren Verarbei-
tung zu homogenen Suspensionen ist hierbei ein gängiger Anwendungsfall für die Zer-
kleinerung und Dispergierung in Rührwerkskugelmühlen. Während in der Vergangen-
heit die Einzelstoffzerkleinerung mit diesem Mühlentyp bereits intensiv erforscht und
durch semi-prädiktive Modelle sehr gut beschreibbar geworden ist, fehlten bislang systematische
Untersuchungen zur Nasszerkleinerung von Mehrkomponentensystemen.
Dies ist der Ansatzpunkt für die vorliegende Arbeit, in der ein mechanistisches Ver-
ständnis zu den Interaktionen verschiedener Komponenten während der Mehrkompo-
nentenzerkleinerung gewonnen und günstige Betriebsweisen für die gezielte Verarbei-
tung von Gemischen abgeleitet werden.
Durch die Etablierung geeigneter Probenpräparationsmethoden konnten selektive
Partikelgrößenanalysen realisiert und somit Informationen zu Material-Prozess-Wech-
selwirkungen zugänglich gemacht werden. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen
mehrere interessante Effekte bei der Mehrkomponentenzerkleinerung im untersuchten
Feinheitsbereich von einigen Mikrometern bis hin zu wenigen hundert Nanometern. So
kommt es zum einen zu einer schützenden Wirkung von gröberen Partikeln auf die
Beanspruchung der feineren Partikel zwischen den Mahlkörpern. Zum anderen beeinflussen
sich die materialspezifischen Brucheigenschaften mehrerer Komponenten insbesondere
im submikronen Partikelgrößenbereich, wenn viele kleine Partikel durch die
Mahlkörper eingefangen werden. Das Zerkleinerungsergebnis wird hierbei dann durch
die mischungsabhängige Gesamtbruchfestigkeit aller eingefangenen Partikel bestimmt.
Gleichzeitig kann auch eine Erhöhung der Energieausnutzung bei der Zerklei-
nerung von Mischungen festgestellt werden. Prozessseitig haben hierbei insbeson-
dere das Einfangverhalten der Mahlkugeln und die Höhe der gewählten Beanspru-
chungsenergie einen entscheidenden Einfluss auf das resultierende Zerkleinerungs-
produkt. Die Formulierung beeinflusst hingegen durch die gewählte Gesamtfeststoff-
konzentration, das Mischungs- und das Partikelgrößenverhältnis der Komponenten so-
wie den angestrebten Feinheitsbereich die Ausprägung dieser Effekte.
Basierend auf den dargestellten Korrelationen konnten die selektive Zerkleinerung der
weicheren Mischungskomponente, die gleichmäßige Zerkleinerung der Mischung sowie
die sequenzielle Zerkleinerung für die gezielte Erzeugung von Mehrkomponentenformulierungen
als geeignete Verfahrensstrategien abgeleitet werden. Insbesondere
für letztere unterstreichen weiterführende Untersuchungen zur Herstellung von Be-
schichtungssuspensionen für Lithium-Ionen-Batterien das hohe Anwendungspotenzial
der Mehrkomponentenzerkleinerung in Rührwerkskugelmühlen.