Mehr oder weniger Shear wählen Sie anhand der gewünschten Produktveränderung, nicht anhand der höchstmöglichen Mischintensität. Shear ist die Scherbelastung, die entsteht, wenn sich benachbarte Flüssigkeitsschichten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. Zu wenig Shear hinterlässt Agglomerate, grobe Tropfen oder eine breite Partikelgrößenverteilung; zu viel Shear kann Strukturen abbauen, Luft eintragen, Wärme aufbauen und dem Produkt unnötig Energie zuführen.
Die bessere Frage lautet daher nicht, wie viel Shear eine Maschine erzeugen kann, sondern wie viel wirksame Behandlung jeder Produktanteil benötigt und vertragen kann. Wissen Sie, an welcher Stelle in Ihrem Prozess die Viskosität ihren Höchstwert erreicht, welche Struktur erhalten bleiben muss und ob das gesamte Produkt tatsächlich durch die aktive Mischzone gelangt? Diese Faktoren bestimmen das Ergebnis häufiger als allein die Drehzahl oder Motorleistung.
Mehr oder weniger Shear beginnt bei der gewünschten Produktveränderung
Das Prozessziel bestimmt, ob Sie vor allem Umwälzung, Benetzung, Dispergierung, Emulgierung oder Strukturerhalt benötigen. Diese Bearbeitungsschritte erfordern nicht dieselbe Form des Energieeintrags. Homogenes Mischen ist hauptsächlich eine distributive Aufgabe, während das Aufbrechen von Agglomeraten oder Tropfen eine ausreichend hohe lokale Schubspannung erfordert.
| Prozessziel | Erforderliche Behandlung | Risiko bei zu wenig Shear | Risiko bei zu viel Shear |
|---|---|---|---|
| Flüssigkeiten homogenisieren | Gute Makroumwälzung mit in der Regel begrenztem lokalen Shear | Totzonen, Konzentrationsunterschiede und lange Mischzeiten | Lufteintrag, Erwärmung und unnötige Produktbelastung |
| Pulver benetzen und lösen | Schnelle Benetzung, kontrollierte Pulverdosierung und ausreichender Flüssigkeitsaustausch | Klumpen, Schwimmschichten und eingeschlossenes trockenes Pulver | Schaumbildung oder Beschädigung scherempfindlicher Verdicker |
| Agglomerate dispergieren | Lokale Schubspannung, die den Zusammenhalt im Agglomerat übersteigt | Grobe Partikelverteilung, Sedimentation und unzureichende Funktionalität | Übermäßige Erwärmung oder Beeinträchtigung von Primärpartikeln und Produktstruktur |
| Eine Emulsion bilden | Tropfenverformung und -bruch, kombiniert mit einer schnellen Stabilisierung der neuen Grenzfläche | Grobe Tropfen, Entmischung und begrenzte Stabilität | Temperaturanstieg, Lufteintrag oder Beschädigung empfindlicher Bestandteile |
| Eine bestehende Struktur erhalten | Ausreichende Strömung für Homogenität bei begrenzter Spitzenbelastung | Unvollständige Verteilung der Inhaltsstoffe | Abbau von Polymeren, Kristallen, Flocken oder aufgebauter Rheologie |
Ein häufiger Fehler besteht darin, Dispergierung mit intensivem Rühren gleichzusetzen. Rühren bewegt das Produkt durch den Behälter, bricht ein Agglomerat jedoch erst auf, wenn die lokale Spannung größer ist als die Kräfte, die es zusammenhalten. Umgekehrt kann eine Rotor-Stator-Zone stark dispergieren, während die gesamte Charge dennoch ungleichmäßig bleibt, wenn die Behälterumwälzung nicht genügend Produkt in diese Zone transportiert.
Beim Dispergieren in Flüssigkeit sind Mikro- und Makromischung daher untrennbar miteinander verbunden. Der Dispergierkopf übernimmt die lokale Behandlung; die Strömung im Behälter oder in der Leitung bestimmt, welcher Anteil des Produkts diese Behandlung erhält und wie häufig dies geschieht.
Shear ist eine lokale Belastung, keine Maschineneinstellung
Shear entsteht aus einem Geschwindigkeitsgradienten in der Flüssigkeit und wird erst in Verbindung mit der Rheologie des Produkts zu einer Schubspannung. Bei demselben Geschwindigkeitsgradienten kann ein viskoseres Produkt einer höheren Spannung ausgesetzt sein als eine dünnflüssige Flüssigkeit. Bei nichtnewtonschen Produkten verändert sich außerdem die scheinbare Viskosität während der Behandlung, wodurch sich die Shear-Bedingungen im Verlauf einer Charge verschieben können.
Ein Rotor-Stator erzeugt hohe lokale Geschwindigkeitsunterschiede im und um den Rotor-Stator-Spalt sowie an den Statoröffnungen. Ein kleinerer Durchlass oder eine andere Geometrie kann die Scherung intensivieren, beeinflusst aber zugleich Durchfluss, Druckaufbau, Verweilzeit und Verstopfungsanfälligkeit. Daher ist die Auswahl der Rotor-Stator-Geometrie keine isolierte Entscheidung für maximalen Shear.
Das Produktergebnis wird durch die Kombination aus Shear-Intensität, Expositionsdauer und Anzahl wirksamer Passagen bestimmt. Eine sehr intensive Zone hilft wenig, wenn ein Teil der Charge diese Zone nicht erreicht. Eine moderate Behandlung kann dagegen ausreichen, wenn jeder Produktanteil kontrolliert behandelt wird und der Prozess endet, sobald die Zielspezifikation erreicht ist.
“In der Praxis lösen wir Dispergierprobleme selten mit mehr Leistung am Mischkopf, sondern indem wir die Bulk-Umwälzung so anpassen, dass das Produkt diese Zone tatsächlich erreicht.”
Bart Brouwer
Vertriebsleiter RS Contracting
Der Viskositätshöchstwert ist dabei häufig entscheidend. Eine Rezeptur kann dünnflüssig beginnen, sich während der Hydratation oder Pulveraufnahme stark verdicken und später wieder Scherverdünnung zeigen. Wer für die Maschinenauswahl nur die Anfangs- oder Endviskosität verwendet, kann eine Anlage auswählen, die genau während der kritischen Prozessphase eine unzureichende Umwälzung oder Pulveraufnahme liefert.
Mehr Shear hilft nur, wenn der limitierende Schritt ein Aufbrechen erfordert
Mehr Shear ist sinnvoll, wenn Agglomerate oder Tropfen erst kleiner werden, nachdem eine höhere lokale Belastung erreicht wurde. Der Zusammenhalt des Agglomerats, die Viskosität der kontinuierlichen Phase, die Grenzflächenspannung und die Stabilisierung durch oberflächenaktive Stoffe bestimmen, wie viel Behandlung tatsächlich Wirkung zeigt. Sobald ein anderer Prozessschritt limitierend wird, führt zusätzlicher Shear kaum noch zu einer Produktverbesserung.
Bei der Pulverzugabe ist die Benetzung häufig der erste limitierende Schritt. Ein Pulver, das zu schnell auf eine Flüssigkeitsoberfläche geschüttet wird, kann an der Außenseite hydratisieren und eine zähe Hülle um trockenes Material bilden. Nachträglich mehr Shear anzuwenden, erfordert dann zusätzlichen Verarbeitungsaufwand und erreicht das eingeschlossene Pulver nicht immer unmittelbar; ein kontrollierter Pulvereintrag und ein schneller Flüssigkeitsaustausch am Kontaktpunkt verhindern das Problem bereits früher in der Prozesskette.
Eine robuste Reihenfolge für Pulver-Flüssigkeits-Prozesse ist:
- Bringen Sie die Flüssigphase in eine stabile Umwälzung, damit der zugegebene Rohstoff direkt vom Dosierpunkt abgeführt wird.
- Dosieren Sie das Pulver entsprechend dem Benetzungs- und Aufnahmevermögen der Flüssigkeit.
- Benetzen Sie jedes Partikel, bevor Hydratation, Quellung oder Oberflächenstruktur eine Barriere bilden können.
- Wenden Sie anschließend ausreichend lokalen Shear an, um verbleibende Agglomerate auseinanderzuziehen oder die gewünschte Dispersion zu bilden.
- Lassen Sie Lösen, Hydratisieren oder Stabilisieren stattfinden, ohne länger als erforderlich eine hohe Belastung anzuwenden.
- Bewerten Sie den Endpunkt anhand einer Produkteigenschaft wie Viskosität, Homogenität, Partikelgrößenverteilung oder Emulsionsstabilität und nicht nur anhand der verstrichenen Mischzeit.
Bei Emulsionen gilt ein vergleichbarer Mechanismus. Shear verformt und bricht Tropfen, aber die neu gebildete Grenzfläche muss schnell stabilisiert werden. Wenn Emulgatorkonzentration, Temperatur oder Phasenverhältnis nicht stimmen, löst ein noch intensiverer Mischer die zugrunde liegende Instabilität nicht.
Weniger Shear schützt die Rheologie und empfindliche Strukturen
Weniger Shear ist die richtige Wahl, wenn das Produkt zwar verteilt werden muss, seine molekulare, kristalline oder aufgebaute Struktur jedoch erhalten bleiben soll. Dies gilt beispielsweise für scherempfindliche Polymere, bestimmte Verdicker, Flockenstrukturen, Kristallsuspensionen und Produkte, deren Mundgefühl oder Applikationsverhalten von einer spezifischen Rheologie abhängt. High Shear ist dann keine Qualitätsverbesserung, sondern eine mögliche Ursache für Produktschäden.
Thixotropie erfordert besondere Aufmerksamkeit. Ein thixotropes Produkt wird unter Belastung vorübergehend dünnflüssiger und baut im Ruhezustand erneut Struktur auf. Eine unmittelbar nach intensivem Mischen gemessene niedrige Viskosität bedeutet daher nicht automatisch, dass die Rezeptur falsch ist; Messzeit, Vorgeschichte und Erholungszeit müssen bei jeder Charge gleich sein, um aussagekräftige Vergleiche zu ermöglichen.
Auch Lufteintrag kann ein Grund sein, die Intensität zu reduzieren oder die Strömungsgeometrie zu verändern. Ein Vortex zieht Luft von der Flüssigkeitsoberfläche in das Produkt, woraufhin kleine Luftblasen durch intensive Dispergierung schwerer entweichen können. Dies kann Schaum, Oxidation, Volumenfehler, Probleme beim Abfüllen und irreführende Viskositätsmessungen verursachen.
Arbeiten Sie mit einem Produkt, das unter Shear stark dünnflüssiger wird, sich nach dem Stillstand jedoch schlecht erholt? Dann muss festgestellt werden, ob es sich um reversible Thixotropie oder dauerhaften Strukturabbau handelt. Die Lösung kann weniger lokaler Shear, eine kürzere Exposition oder eine andere Mischreihenfolge sein; zusätzliche Mischzeit verschlimmert einen dauerhaften Abbau dagegen. Die Beziehung zwischen Strömung und Rheologie wird unter hoher und niedriger Viskosität näher erläutert.
Prozessabweichungen zeigen, ob der Shear falsch verteilt ist
Abweichungen am Produkt und an der Anlage zeigen in der Regel, ob Intensität, Umwälzung oder Behandlungszeit unzureichend sind. Ein Symptom kann jedoch mehrere Ursachen haben, sodass eine höhere Einstellung ohne Diagnose das Problem verlagern kann, statt es zu lösen.
| Beobachtung | Wahrscheinliche Prozessursache | Gezielte Kontrolle |
|---|---|---|
| Klumpen mit trockenem Kern | Das Pulver hydratisiert schneller, als es vollständig benetzt wird | Prüfen Sie Dosiergeschwindigkeit, Kontaktpunkt, Flüssigkeitsaustausch und Pulvereintrag |
| Grobe Dispersion trotz langer Mischzeit | Die lokale Schubspannung ist zu niedrig oder das Produkt passiert die aktive Zone nicht ausreichend | Prüfen Sie Rotor-Stator-Geometrie, Umwälzung und wirksame Passagen |
| Unterschiede zwischen Proben derselben Charge | Unzureichende Makromischung oder Vorhandensein von Totzonen | Entnehmen Sie Proben an verschiedenen Stellen und zu verschiedenen Zeitpunkten |
| Die Viskosität bleibt nach der Verarbeitung zu niedrig | Unvollständige Hydratation, falsche Messbedingung oder dauerhafter Strukturabbau | Vergleichen Sie Ruhezeit, Temperatur, Mischhistorie und Zugabereihenfolge |
| Schaum oder Luftblasen | Vortexbildung, Leckage auf der Saugseite oder zu intensive Luftverteilung | Prüfen Sie Flüssigkeitsstand, Strömungsmuster, Anschlüsse und Erläuterung |
| Das Produkt erwärmt sich ohne weiteren Qualitätsgewinn | Zusätzliche mechanische Energie wird nicht mehr in eine nutzbringende Zerkleinerung umgesetzt | Bestimmen Sie den tatsächlichen Prozessendpunkt und begrenzen Sie Rezirkulation oder Behandlungszeit |
Strömt Ihr Produkt tatsächlich an der Behälterwand und am Boden entlang oder bewegt sich hauptsächlich der Bereich um das Mischorgan? Ein stehender oder sich langsam bewegender Wandbereich deutet auf eine unzureichende Bulk-Umwälzung hin, insbesondere wenn die Viskosität während des Prozesses steigt. Mehr lokaler Shear in der Mitte löst dies nicht von selbst; Strömungsrichtung, Platzierung und Verhältnis zwischen Mischzone und Behälter müssen dann neu bewertet werden.
Die Maschine bestimmt, wo und wie häufig das Produkt Shear ausgesetzt ist
Die Ausrüstung muss anhand der erforderlichen Kombination aus lokaler Behandlung und Produkttransport ausgewählt werden. Ein Inline-Rotor-Stator-System zwingt einen abgegrenzten Produktstrom durch die aktive Zone, während ein Batch-Dispergierer von der Umwälzung im Behälter abhängt. Ein Leitstrahlmischer legt dagegen den Schwerpunkt auf eine gerichtete Bulk-Strömung und kann homogenisieren, ohne überall eine hohe Spitzenbelastung zu erzeugen.
Inline-Behandlung macht Passagen beherrschbar
Eine Inline-Dispergiermaschine eignet sich, wenn ein Produkt in einer einzigen Leitungspassage oder über Rezirkulation kontrolliert behandelt werden muss. Das Prozessergebnis hängt nicht nur vom Rotor-Stator ab, sondern auch von den Zuführbedingungen, dem Leitungswiderstand, der Viskositätsentwicklung und der Verweilzeitverteilung. Bei Rezirkulation muss der Behälter gut gemischt werden, da sonst ein Teil des Produkts die aktive Zone wiederholt passiert, während ein anderer Teil zurückbleibt.
Batch-Dispergierung kombiniert lokalen Shear mit Behälterumwälzung
Ein Batch-Dispergierer eignet sich, wenn Zugaben, visuelle Prozesskontrolle und die chargenweise Behandlung im Mittelpunkt stehen. Der Dispergierkopf muss ausreichend eingetaucht bleiben, und das Strömungsmuster muss Produkt von Wand, Boden und Oberfläche zur aktiven Zone führen. Im Produktionsmaßstab werden Totzonen und ein ungünstiges Verhältnis zwischen Mischkopf und Behälter wesentlich deutlicher als bei einem Laborversuch.
Leitstrahlmischen verhindert unnötige Spitzenbelastung
Ein Leitstrahlmischer eignet sich, wenn Homogenität und kontrollierte Umwälzung wichtiger sind als eine intensive Partikel- oder Tropfenzerkleinerung. Das gerichtete Strömungsfeld kann auch mit einem separaten Dispergierschritt kombiniert werden. Dadurch muss ein Mischorgan nicht gleichzeitig maximale Makromischung und maximalen lokalen Shear erzeugen.
Die praktische Auswahl läuft daher häufig auf drei Funktionen hinaus: reproduzierbares Inline-Dispergieren, Pulver einziehen und unmittelbar benetzen oder einen vollständigen Behälter bei begrenztem Lufteintrag homogenisieren. Diese Funktionen können separat eingesetzt oder als Prozessschritte kombiniert werden, abhängig von Rezeptur, Viskositätsverlauf und gewünschtem Endpunkt.
Maschinen von RS Contracting
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Ein Versuch muss die Shear-Grenze und die Prozessreihenfolge festlegen
Ein repräsentativer Versuch bestimmt nicht nur, ob ein Produkt ausreichend fein oder homogen wird, sondern auch, wann eine zusätzliche Behandlung keinen Vorteil mehr bietet. Dazu müssen Rohstoffzustand, Zugabereihenfolge, Temperatur, Probenzeitpunkt, Ruhezeit und Analysemethode festgelegt werden. Andernfalls wird die Wirkung von Shear mit Schwankungen der Rezeptur oder Probenbehandlung verwechselt.
Bei der Beurteilung sind mindestens drei Zustände zweckmäßig: unzureichend behandelt, gemäß Produktspezifikation behandelt und über das erforderliche Maß hinaus behandelt. Dadurch wird sichtbar, ob der Prozess ein breites Arbeitsfenster besitzt oder schnell von unzureichender Dispergierung zu Produktschäden übergeht. Ohne diesen Grenzversuch kann sich eine erfolgreiche Laborcharge im Produktionsmaßstab dennoch als schwer reproduzierbar erweisen.
Bei der Maßstabsvergrößerung ist dieselbe Drehzahl kein gültiges Skalierungskriterium. Behälterdurchmesser, Rotor-Stator-Geometrie, Strömungsweg, Verweilzeit und Rheologie verändern die mechanische Belastung und die Umwälzung. Eine gute Maßstabsvergrößerung erhält daher die relevante Prozessfunktion: dieselbe Benetzungsbedingung, ausreichende lokale Spannung, eine vergleichbare Behandlungsverteilung und denselben produktspezifischen Endpunkt.
RS Contracting kann in Coevorden oder vor Ort Versuche mit Ihrem Produkt durchführen. Dies ist besonders relevant, wenn Benetzbarkeit, Dichte, Viskositätsentwicklung oder Scherempfindlichkeit nicht zuverlässig aus Rohstoffdaten abgeleitet werden können. In solchen Fällen ist ein Versuch keine Formalität, sondern die einzige verantwortbare Methode, um mehr oder weniger Shear auszuwählen.
Entscheiden Sie anhand der Produktwirkung statt anhand maximaler Intensität
Die richtige Shear-Menge ist die niedrigste wirksame Behandlung, die das gewünschte Produktergebnis reproduzierbar erreicht, ohne relevante Strukturen zu beschädigen. Verwenden Sie dazu die folgenden Entscheidungskriterien in dieser Reihenfolge:
- Definieren Sie den Endpunkt: Legen Sie fest, ob Homogenität, Lösung, Tropfenverteilung, Partikelverteilung, Viskosität oder Stabilität über die Freigabe entscheidet.
- Bestimmen Sie den limitierenden Schritt: Unterscheiden Sie zwischen unzureichender Benetzung, zu niedriger lokaler Spannung und unzureichender Bulk-Umwälzung.
- Erfassen Sie die Rheologie über den gesamten Prozesszyklus: Legen Sie die Auslegung nicht ausschließlich auf die Anfangs- oder Endviskosität aus.
- Identifizieren Sie empfindliche Strukturen: Bestimmen Sie, welche Polymere, Kristalle, Tropfen, Flocken oder aktiven Inhaltsstoffe keine lang anhaltende hohe Belastung vertragen.
- Kontrollieren Sie die Exposition: Steuern Sie nicht nur anhand der Intensität, sondern auch anhand von Verweilzeit, Anzahl der Passagen und Rezirkulation.
- Validieren Sie das Arbeitsfenster: Testen Sie sowohl unzureichende als auch übermäßige Behandlung und dokumentieren Sie die zugehörigen Produkteigenschaften.
Mehr Shear ist somit kein universeller Weg zu einem besseren Produkt, und weniger Shear ist nicht automatisch sauberer oder schonender. Die richtige Lösung verknüpft eine spezifische Produkttransformation mit Ort, Dauer und Verteilung der mechanischen Belastung. Wenn das Arbeitsfenster unbekannt ist, muss es zunächst mit dem tatsächlichen Produkt bestimmt werden.
Häufig gestellte Fragen zu mehr oder weniger Shear
Ist eine höhere Drehzahl immer gleichbedeutend mit mehr Shear?
Eine höhere Drehzahl erhöht in der Regel die lokalen Geschwindigkeitsunterschiede, beschreibt jedoch nicht die vollständige Produktbelastung. Rotor-Stator-Geometrie, Viskosität, Durchfluss, Verweilzeit und Anzahl der Passagen bestimmen mit, welcher Belastung das Produkt ausgesetzt ist. Eine höhere Drehzahl kann außerdem vor allem zusätzliche Umwälzung, Wärme oder Lufteintrag bewirken, wenn der limitierende Prozessschritt an anderer Stelle liegt.
Woran erkenne ich zu wenig Shear in meinem Mischprozess?
Zu wenig wirksamer Shear zeigt sich häufig an verbleibenden Agglomeraten, groben Tropfen, einer breiten Partikelgrößenverteilung oder daran, dass das Produkt nach langer Mischzeit die Spezifikation nicht erreicht. Prüfen Sie auch die Behälterumwälzung: Ein geeigneter Dispergierkopf kann ein unzureichendes Ergebnis liefern, wenn das Produkt an der Wand oder am Boden die aktive Zone kaum erreicht.
Kann zu viel Shear die Viskosität senken?
Ja, aber die Ursache muss unterschieden werden. Bei thixotropen Produkten kann die Viskosität vorübergehend sinken und sich später wieder erholen. Scherempfindliche Polymere oder aufgebaute Strukturen können dauerhaft abgebaut werden, sodass keine Erholung eintritt. Vergleichen Sie Proben daher bei gleicher Temperatur, Ruhezeit und Messmethode, bevor Sie zu dem Schluss kommen, dass die Rezeptur oder der Mischer nicht richtig ist.
Wann ist High Shear nicht die richtige Lösung?
High Shear ist nicht die richtige Lösung, wenn das Problem hauptsächlich durch schlechte Bulk-Umwälzung, falsche Pulverdosierung, unzureichende Benetzung oder eine instabile Formulierung verursacht wird. Auch bei empfindlichen Kristallen, Polymeren, Flocken oder gewünschten Produktstrukturen kann ein Leitstrahlmischer oder ein mildes Mischorgan besser geeignet sein als eine intensive Rotor-Stator-Behandlung.
