masterthesis einfluss der partikelform auf die rheologischen ......2.4 einfluss verschiedener...
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Fachbereich Agrarwirtschaft und Lebensmittelwissenschaften
Studiengang Lebensmittel- und Bioprodukttechnologie
WS 2012/13
Masterthesis
Einfluss der Partikelform auf die rheologischen Eigenschaften von
Fettsuspensionen
Verfasser: Thorsten Wenker
Betreuer: Prof. Dr. S. Bolenz
Prof. Dr. T. John
Neubrandenburg, den 05.01.2013
urn:nbn:de:gbv:519-thesis 2012-0677-9
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Danksagung
Besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Siegfried Bolenz für die wertvollen Gespräche und
hilfreichen Ratschläge.
Des Weiteren gilt großen Dank Herrn Prof. Dr. Thomas John für seine Bereitschaft, die
Zweitbegutachtung dieser Masterthesis zu übernehmen.
Für die tatkräftige Unterstützung bei der praktischen Durchführung der Versuche möchte ich
mich bei Herrn Dipl.-Ing. (FH) Andre´ Manske, Herrn Rolf Kretzschmar, Frau Dipl.-Ing. Rita
Schäpe, Frau Dipl.-Ing. Viola Hoffmann und Frau Dipl.-Ing. (FH) Andrea Dörnbrack bedanken.
Weiterhin möchte ich mich bei meiner Familie bedanken. Bei meinen Eltern und meinem Onkel
die mir mein Studium ermöglichten und mich während der Jahre meines Studiums begleitet
haben.
Mein größter Dank gilt meiner Lebensgefährtin Sandra, die mir während des Studiums mit Rat
und Tat zur Seite stand und mich auch in schweren Zeiten des Studiums begleitet hat.
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Abstract
The influence of particle shape on flow properties of fat suspensions was analyzed within this
student research project. This is very important for chocolate production, because it wasn´t
analyzed as good as the influence of particle size and particle size distribution.
For analyzing sugar was ground in different ways. Therefore a roll refiner, a ball mill, a pin mill
and a disk mill was used. After grinding the samples were sieve classified to get samples with
similar particle size distribution. So differences in flow properties could affiliate to particle shape
and not particle size or particle size distribution.
As next step the fraction with the best comparability between samples was chosen. These
samples were analyzed in particle shape by using image analyses. In a last step the samples were
suspended in silicone oil and flow properties were measured.
Analyse showed, that the particle shape influenced the flow properties. The result is, the higher
the convexity and circularity the better the flow properties. The positive influence of elongated
particles, as Windhab (2004) described, couldn’t be confirmed. The reason therefor could be,
that the samples contained too much elongated particles which affected the flow properties
negatively, like Windhab described. It´s also possible that the particles weren´t elongated
enough, so the particles couldn´t adjust to the flow field and influence the flow properties
positively.
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ........................................................................................................................... 6
2 Stand der Technik ............................................................................................................. 7
2.1 Zerkleinerung von Schokoladenmassen .............................................................................. 7
2.1.1 Zerkleinerung ...................................................................................................................... 7
2.1.2 Walzwerke .......................................................................................................................... 7
2.1.3 Rührwerkskugelmühle ........................................................................................................ 8
2.2 Conchieren ........................................................................................................................... 9
2.3 Q-Choc-Verfahren ............................................................................................................. 10
2.4 Einfluss verschiedener Faktoren auf die rheologischen Eigenschaften von Schokolade .. 12
2.4.1 Rheologischen Eigenschaften von Schokolade................................................................. 12
2.4.2 Einfluss der Partikelgröße ................................................................................................. 12
2.4.3 Einfluss der Partikelform .................................................................................................. 13
3 Material und Methode .................................................................................................... 16
3.1 Versuchsplan ..................................................................................................................... 16
3.2 Versuchsdurchführung ...................................................................................................... 16
3.2.1 Rohstoffe ........................................................................................................................... 18
3.2.2 Zerkleinerung mit der Stiftmühle ...................................................................................... 19
3.2.3 Zerkleinerung mit der Planetenkugelmühle ...................................................................... 20
3.2.4 Zerkleinerung mit dem Dreiwalzwerk .............................................................................. 20
3.2.5 Zerkleinerung mit der Scheibenmühle .............................................................................. 22
3.2.6 Siebklassierung ................................................................................................................. 22
3.3 Analytische Messmethoden ............................................................................................... 23
3.3.1 Laserbeugungsspektrometer.............................................................................................. 23
3.3.2 Bildanalyse ........................................................................................................................ 25
3.3.3 Rotationsrheometer ........................................................................................................... 39
3.4 Statistische Methoden ........................................................................................................ 42
5
4 Ergebnisse und Diskussionen ......................................................................................... 43
4.1 Vorversuche ....................................................................................................................... 43
4.2 Hauptversuche ................................................................................................................... 51
4.2.1 Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung ..................................................................... 51
4.2.2 Partikelanzahl .................................................................................................................... 64
4.2.3 Ergebnisse der Bildanalyse ............................................................................................... 65
4.2.4 Ergebnisse der Rheologie.................................................................................................. 69
4.3 Diskussion und Schlussfolgerung .................................................................................. 74
5 Zusammenfassung ........................................................................................................... 77
Literaturverzeichnis .................................................................................................................... 79
Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................ 82
Tabellenverzeichnis ..................................................................................................................... 83
Formelverzeichnis ....................................................................................................................... 84
Anhangsverzeichnis ..................................................................................................................... 85
Anhang ......................................................................................................................................... 86
Eidesstaatliche Erklärung .......................................................................................................... 96
6
1 Einleitung
Bis dato wurden viele Forschungsarbeiten zum Thema Schokolade verfasst, jedoch wurden erst
wenige Arbeiten zum Einfluss der Partikelform auf die rheologischen Eigenschaften einer
Schokolade geschrieben. Diese Arbeit greift genau diesen Aspekt auf. Hierbei soll ermittelt
werden, inwieweit die Partikelform Einfluss auf die Fließeigenschaften einer Schokolade nimmt.
Schokolade ist eine Suspension aus Fett als kontinuierliche Phase und den Feststoffen Zucker,
Kakao und Milchtrockenprodukte als Dispersionsphase.
Ein wichtiger Einflussparameter auf die Endproduktqualität der Schokolade ist die Partikelgröße
und die Partikelgrößenverteilung. So müssen die Partikel so fein sein, dass sie sensorisch nicht
wahrgenommen werden können. Jedoch dürfen sie nicht zu fein sein, da die Fließeigenschaften
dadurch negativ beeinflusst werden (Tscheuschner, 2004). Um diese positiv zu beeinflussen
muss des Weiteren eine optimale Partikelgrößenverteilung erzeugt werden. So ist eine bimodale
Partikelgrößenverteilung gewünscht. Diese weißt zwei Maxima auf, eins im Bereich der feinen
und eins im Bereich der groben Partikel. So legen sich die feinen zwischen die groben Partikel
und drücken das dort vorliegende Fett heraus, was anschließend frei vorliegt wodurch die
Partikel besser aneinander vorbeigleiten können (Beckett, 2008). Auf diesen Aspekt wird in
Kapitel 2.4 noch näher eingegangen.
Ein weiterer Parameter der die Fließeigenschaften positiv beeinflusst ist die Partikelform.
Windhab (2004) beschreibt, dass für optimale Fließeigenschaften sowohl kugelförmige, als auch
stäbchenförmige Partikel erwünscht sind. So beeinflussen erstere die Fließgrenze günstige und
letztere die Grenzviskosität. Auf diesen Aspekt wird in Kapitel 2.4.3 noch näher eingegangen.
Bei der Schokoladenherstellung mittels konventionellen Verfahrens mit Hilfe von Walzwerken
werden Vermutungen nach flache, glatte Partikel erzeugt. Bei einem alternativen Verfahren
mittels Nasszerkleinerung mit Hilfe einer Rührwerkskugelmühle, legen Vermutungen nahe, dass
unregelmäßig geformte Partikel produziert werden.
Im Rahmen dieser Projektarbeit sollen jedoch nicht Schokoladenproben, sondern Suspensionen
aus Kochsalz bzw. Zucker und Silikonöl auf ihre Formparameter und rheologischen
Eigenschaften untersucht werden. Hierzu wird Kochsalz bzw. Zucker auf verschiedene Weisen
zerkleinert und anschließend siebklassiert, um eine annähernd gleiche Partikelgrößenverteilung
aller Proben zu erhalten. Dies ist erforderlich, da die Partikelgrößenverteilung maßgeblich die
Fließeigenschaften beeinflusst. Bei Vorliegen vergleichbarer Partikelgrößenverteilungen
zwischen den Proben können Unterschiede in den Fließeigenschaften auf Formunterschiede der
Partikel zurückgeführt werden.
Kernelement ist hierbei die Bildanalyse, die verschiedene Formparameter einer Probe ermittelt.
7
2 Stand der Technik
2.1 Zerkleinerung von Schokoladenmassen
2.1.1 Zerkleinerung
Die Zerkleinerung von Schokoladenmassen spielt bei der Herstellung von Schokolade eine sehr
wichtige Rolle. Sie hat direkten Einfluss auf die Endproduktqualität und die
Verarbeitungsfähigkeit einer Schokolade. So soll eine Partikelgröße erzeugt werden, die fein
genug ist, dass beim Verzehr kein sandiges Mundgefühl auftritt. Des Weiteren soll eine
Partikelgrößenverteilung erzeugt werden, die die rheologischen Eigenschaften und somit den
Schmelz positiv beeinflusst (Beckett, 2008). Auf die genaue Bedeutung der
Partikelgrößenverteilung wird noch in Kapitel 2.4.2 näher eingegangen.
2.1.2 Walzwerke
Bei der Herstellung von Milchschokolade wird oftmals die Zerkleinerung mittels Walzwerk
eingesetzt. Diese setzt sich aus zwei Teilschritten zusammen. Im ersten Schritt wird die
Schokoladenmasse, die aus Kakaomasse, Zucker, Kakaobutter und Milchtrockenprodukten
besteht, mit Hilfe eines Zweiwalzwerkes vorzerkleinert. Ein solches Zweiwalzwerk besteht aus
zwei horizontal nebeneinander gelagerten Walzen, die gegenläufig zueinander rotieren. So wird
die Schokoladenmasse in den Spalt zwischen den Walzen gezogen und somit zerkleinert
(Beckett, 2008). Des Weiteren wird ein Teil der so neu entstandenen Oberfläche mit Fett
überzogen. Die Oberflächenvergrößerung hat einen Anstieg der Viskosität der
Schokoladenmasse zur Folge. Die maximale Partikelgröße liegt nach diesem Verfahrensschritt
zwischen 100 und 150 μm (Beckett, 2008).
Nach der Vorzerkleinerung erfolgt die Feinzerkleinerung mittels Fünfwalzwerk. Dieses besteht
aus fünf horizontal übereinander gelagerten Walzen, die von innen mittels Wasser temperiert
werden können (Beckett, 2008; Tscheuschner, 2004).
Durch eine hydraulische Steuerung sind die Anpressdrücke zwischen den einzelnen Walzen
einstellbar. Die ersten beiden Walzen, die in einem Winkel übereinander gelagert sind, bilden die
Produktaufgabe und sind in ihrem Spalt einstellbar. Des Weiteren kann die Umfangs-
geschwindigkeit der zweiten Walze variiert werden. Somit ist mit Hilfe dieser beiden Parameter
die Filmdicke und somit die Partikelgröße variierbar.
Die Umfangsgeschwindigkeit nimmt von Walze zu Walze zu, wodurch der Produktfilm immer
an die nachfolgende Walze übertragen wird. Der Spaltbreite zwischen den Walzen nimmt nach
8
und nach ab, wodurch die Partikel immer weiter zerkleinert werden. Am Ende des
Verfahrensschrittes ist eine Endfeinheit von etwa 20 μm erreicht (Beckett, 2008).
Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Fünfwalzwerkes.
Abbildung 1: schematischer Aufbau eines Fünfwalzwerkes (Beckett, 2008)
2.1.3 Rührwerkskugelmühle
Rührwerkskugelmühlen werden zur Nasszerkleinerung eingesetzt und arbeiten im Bereich der
Feinst- und Kolloidmahlung. Sie bestehen aus einem vertikal oder horizontal positionierten
Mahlraum, der bis zu 80 bis 90 % mit Kugeln gefüllt ist, die als Mahlkörper dienen (Schwister,
2010). In der Rührwerkskugelmühle befindet sich ein mehrstufiger Scheibenrührer oder ein
Rotor-Stator-System, die die Kugeln bewegen. Diese Bewegung hat eine Zerkleinerung durch
Reibung zur Folge.
Da durch diesen Vorgang eine große Menge an Reibungsenergie entsteht, ist eine Kühlung
mittels Doppelmantel notwendig. In der Rührwerkskugelmühle ist eine Trennvorrichtung
integriert, die die Kugeln am Austritt aus der Mühle zurückhält (Bohnet, 2004).
Die folgende Abbildung zeigt den schematischen Aufbau einer Rührwerkskugelmühle.
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Abbildung 2: Rührwerkskugelmühle der Firma Lipp
2.2 Conchieren
Ein weiterer wichtiger Verfahrensschritt bei der Schokoladenherstellung ist das Conchieren.
Dieser Schritt erfolgt nach der Zerkleinerung und dient der Veredelung einer Schokolade. Die
Endproduktqualität, wie z.B. Schmelz und Aroma, wird durch das Conchieren maßgeblich
beeinflusst. Des Weiteren werden alle Partikel mit Fett umhüllt, was die Fließeigenschaften
positiv beeinflusst. Der Conchierprozess unterteilt sich in drei Phasen.
Die erste Phase wird als Trockencochierphase bezeichnet. Hierbei wird der Conche das
pulverförmige Walzgut zugeführt. Dieses wird durchmischt und mit Hilfe des Doppelmantels der
Conche temperiert, sodass ein Entfeuchten des Walzgutes erfolgt. Dieser Vorgang wird durch
Reibung, hervorgerufen durch das Rührwerk, verbessert. Die integrierte Belüftung beschleunigt
diesen Prozess weiter. Des Weiteren wird die Masse während dieser Phase entgast und
unerwünschte flüchtige, aromaaktive Stoffe werden abgedampft (Beckett, 2009).
Der Feuchtigkeitsgehalt muss während dieser Phase auf unter 1 % gesenkt werden um ein
Produkt mit guten rheologischen Eigenschaften zu erhalten. Einige Autoren gegen davon aus,
Produkteintritt
10
dass die Viskosität durch die Reduzierung der Feuchtigkeit auf 0,6 % gesenkt werden kann.
Jedoch ist eine Feuchtigkeitsreduzierung auf unter 0,8 % unwirtschaftlich (Beckett, 2009).
Die zweite Phase wird als pastöse Phase oder auch Verflüssigungsphase bezeichnet. Während
dieser Phase wird durch die Zugabe von Kakaobutter die Viskosität der Masse herabgesetzt. Die
Senkung der Viskosität wird dadurch verbessert, dass alle Nichtfettbestandteile mit Fett umhüllt
werden. Schließlich wird das Aroma in dieser Phase weiterentwickelt und der
Trocknungsprozess fortgeführt (Beckett, 2009).
In der dritten und letzten Phase, der flüssigen Phase werden restliche Rezepturbestandteile wie
Kakaobutter und Lezithin zugegeben und die Schokoladenmasse homogenisiert (Beckett, 2009).
Abbildung 3 zeigt den Aufbau einer Doppel-Überschlag-Conche im Querschnitt.
Abbildung 3: Schematische Darstellung einer Doppel-Überschlag-Conche im Querschnitt (Beckett, 2008)
2.3 Q-Choc-Verfahren
Das von der Firma Royal Wiener Lehmann entwickelte Verfahren ermöglicht die kontinuierliche
Produktion von Schokolade.
Zu Beginn des Verfahrens werden die gesamten Rohstoffe (Zucker, Kakaomasse, Kakaobutter,
Milchtrockenprodukte, Lecithin etc.) automatisch in einen Vormischer, der mit Wägezellen
ausgestattet ist, abgewogen. Anschließend werden die Rohstoffe vorgemischt und anschließend
einer Intensivmischung unterzogen. Da der Vormischer in zwei Behältereinheiten unterteilt ist,
kann während dieses Schrittes bereits die folgende Charge abgewogen werden. Im nächsten
Schritt wird die Masse mittels Kugelmühle auf die gewünschte Endfeinheit zerkleinert. Ist diese
erreicht erfolgt der abschließende Verfahrensschritt. Dabei wird die Schokoladenmasse mit Hilfe
eines Dünnschichtverdampfers behandelt, wobei zusätzlich Scherenergie eingebracht wird. Des
Weiteren wird dem Verdampfer während der Behandlung der Schokoladenmasse warme Luft
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zugeführt. Somit kommt es zu einem Entfeuchten der Schokoladenmasse und dem Austrag von
flüchtigen Säuren und Off-Flovours (Duyvis Wiener; Lehmann, 2012).
Das Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Compounds und Füllmassen (van der
Schaaf, 2012).
Abbildung 4: schematischer Aufbau einer Q-Choc-Linie (van der Schaaf, 2012)
12
2.4 Einfluss verschiedener Faktoren auf die rheologischen Eigenschaften
von Schokolade
2.4.1 Rheologischen Eigenschaften von Schokolade
Rheologie ist die Lehre der Deformation und vom Fließen der Substanzen. Sie ist ein Teilgebiet
der Physik, da die wichtigsten Messgrößen aus der Mechanik kommen. Zu ihnen gehören Kräfte,
Auslenkungen und Geschwindigkeiten. Der Begriff der Rheologie kommt aus dem Griechischen:
rheos - der Fluss, das Fließen, das Strömen. Somit bedeutet Rheologie also „Fließkunde“.
Rheologische Untersuchungen beinhalten aber nicht nur das Fließverhalten von Flüssigkeiten,
sondern auch das Deformationsverhalten von Festkörpern. Der Zusammenhang dieser beiden
Bereiche liegt darin, dass durch Scherkräfte verursachte große Deformationen bei vielen
Substanzen zum Fließen führen (Mezger, 2000).
Es wird zwischen newtonschen und nicht-newtonschen Flüssigkeiten unterschieden. Wasser
benötigt eine geringe Scherkraft, um zum Fließen gebracht zu werden. Des Weiteren liegt
zwischen Scherkraft und der resultierenden Schubspannung ein linearer Zusammenhang vor,
weshalb Wasser zu den newtonschen Flüssigkeiten gehört (Czichos; Hennecke, 2004). Dies ist
bei Schokolade nicht der Fall. Hierbei verändert sich die Viskosität mit steigender Scherrate. Des
Weiteren muss erst eine gewisse Kraft aufgebracht werden, um die Schokolade zum Fließen zu
bringen. Diese Kraft wird als Fließgrenze bezeichnet (Beckett, 2008).
Die Rheologie einer Schokolade spielt in sofern eine Rolle, dass sie die Textur und das
Mundgefühl beim Verzehr beeinflusst, aber auch die Verarbeitungsfähigkeit wie z.B. das
Gießen, Formen, die Pumpfähigkeit etc.. Verschiedene Parameter die die Rheologie beeinflussen
werden in den folgenden Kapiteln erläutert.
2.4.2 Einfluss der Partikelgröße
Eine große Bedeutung bei der Schokolade spielt die Partikelgröße. Sie sollte unter 30 μm liegen,
damit beim Verzehr kein sandiges Mundgefühl entsteht. Andererseits sollte sie jedoch
mindestens 6 μm betragen, um optimale Fließeigenschaften zu erreichen (Beckett, 2009).
Schokolade mit einer maximalen Partikelgröße von 20 μm hingegen erzeugt ein belagbildendes
Mundgefühl (Beckett, 2008).
Aber nicht nur die Partikelgröße spielt eine Rolle, sondern auch die Partikelgrößenverteilung. Sie
hat direkten Einfluss auf die Grenzviskosität der Schokolade. Um eine niedrige Grenzviskosität
zu erreichen, ist eine bimodale Partikelgrößenverteilung erwünscht. Das bedeutet, dass sie zwei
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Maxima aufweist, eins im Bereich der feinen und eins im Bereich der groben Partikel. So legen
sich die feinen Partikel zwischen die groben und drücken das dort vorliegende Fett heraus, das
nun frei vorliegt und die Viskosität senkt. Dieser Fakt wird durch Abbildung 5 verdeutlicht.
Abbildung 5: uni-, bi- und trimodale Partikelgrößenverteilung (Beckett, 2008)
Somit steigt die Packungsdichte von 65 % bei einer unimodalen Partikelgrößenverteilung auf 86
% bei einer bimodalen. Diese kann mit Hilfe einer trimodalen Partikelgrößenverteilung, die drei
Maxima aufweist, auf 95 % gesteigert werden, was zu einer weiteren Senkung der
Grenzviskosität führt. Eine weitere Steigerung über die Trimodalität zeigt nur noch einen sehr
geringen Effekt (Servais, 2002). Optimaler Weise sollte das Verhältnis zwischen feinen und
groben Partikeln bei 37% feinen und 63 % groben Partikeln liegen (Farris, 1968). Des Weiteren
ist der Effekt am höchsten, wenn die groben Partikel mindestens siebenmal so groß sind wie die
kleinen. Schließlich wirken die kleinen Partikel als „Schmiermittel“ für die großen Partikel und
beeinflussen die Grenzviskosität somit positiv (Do etal, 2007).
Eine bimodale Partikelgrößenverteilung wird oftmals bei der Herstelllung von Schokolade
mittels Walzwerk erreicht, wohingegen die Zerkleinerung mittels Kugelmühle eher zu einer
unimodalen Partikelgrößenverteilung führt (Römisch, 2009).
Auf diese Weise kann die Viskosität der Schokolade ohne die Erhöhung des Fettgehaltes
herabgesetzt werden.
2.4.3 Einfluss der Partikelform
Wie bereits in Kapitel 2.4.2 beschrieben nehmen die Partikelgröße und besonders die
Partikelgrößenverteilung großen Einfluss auf die Fließeigenschaften einer Schokolade. Jedoch
sind nicht nur diese beiden Parameter von Bedeutung, sondern auch die Partikelform. Im
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Vergleich zu Forschungsarbeiten, deren Hauptaugenmerk auf der Partikelgrößenverteilung
liegen, gibt es nur wenige Forschungsarbeiten, die sich mit dem Einfluss der Partikelform auf die
rheologischen Eigenschaften befassen.
Bereits 1992 beschäftigte sich Houghton mit der Formanalyse von Partikeln. Dabei untersuchte
er die Partikel verschiedener Proben mit Hilfe eines Mikroskops und berechnete rechnergestützt
Formparameter wie die Elongation und die Zirkulariät. Da die technischen Möglichkeiten noch
nicht so fortgeschritten waren wie heute, untersuchte er lediglich 25 Partikel pro Probe, was
statistisch gesehen in Frage zu stellen ist, da für ein aussagefähiges Ergebnis eine repräsentative
Probe in ausreichender Menge untersucht werden muss. Hierfür müssen laut Tscheuschner
(2004) mindestens 300 Partikel analysiert werden.
Laut Crompton (2005) reicht bei einigen Anwendungen eine Analyse der Partikelgröße aus.
Gleichen sich jedoch Proben in ihrer Partikelgrößenverteilung sehr stark ist es notwendig die
feinen Unterschiede in der Partikelform zu untersuchen.
Die folgende Abbildung zeigt den Unterschied in der Partikelform zweier Proben bei gleicher
Partikelgrößenverteilung.
Abbildung 6: zwei Partikelproben mit gleicher Partikelgrößenverteilung und unterschiedlicher Partikelform (Crompton, 2005)
Theoretisch ist es am besten, wenn die Partikel eine kugelförmige Form aufweisen wodurch die
spezifische Oberfläche gering ist. So sind die Kontaktflächen zwischen den einzelnen Partikeln
gering und in Folge dessen wird weniger Energie benötigt um die Haftreibung zu überwinden
und somit die Schokolade zum Fließen zu bringen.
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Des Weiteren ist die Oberflächenstruktur von Bedeutung, somit verhaken sich die Partikel
ineinander wenn diese eine raue Struktur aufweisen. Hinzu kommt, dass der Anteil an
gebundenem Fett steigt. Beide Effekte erhöhen sowohl die Viskosität als auch die Fließgrenze.
Windhab (2004) stellte fest, dass bei einer Suspension durch Zusatz von 10-15 % faserförmiger
Milchpulverteilchen, sogenanntes Spinnmilchpulver, die rheologischen Eigenschaften signifikant
verbessert werden können. Der Grund hierfür liegt darin, dass die faserförmigen Partikel sich im
Strömungsfeld ausrichten, der Strömungswiderstand abnimmt und somit die strömungsinduzierte
Strukturbildung optimiert wird. Dieser Effekt tritt jedoch nur bei höheren Scherraten auf,
wodurch kein Einfluss auf die Fließgrenze eintritt. Weiterhin stellte Windhab fest, dass die
Fluidimmobilisierung eine große Rolle spielt. So ist z.B. ein Teil des Fettes in den Partikeln
(Porosität) oder den Zwischenräumen von Agglomeraten gebunden, was die Feststoffvolumen-
konzentration und somit die Viskosität erhöht. So zeigten Versuche, dass durch die
Zerkleinerung von Agglomeraten die Viskosität gesenkt werden kann.
Der negative Einfluss von Agglomeraten auf die rheologischen Eigenschaften tritt jedoch nicht
nur bei Suspensionen auf. So stellten Vivier et al. (2000) fest, dass dieser Effekt auch bei Pulvern
auftritt. Dabei zeigte sich, dass ein Pulver ohne Agglomerate eine bessere Rieselfähigkeit
aufweist als ein Pulver mit gleicher Partikelgrößenverteilung, das Agglomerate enthält. Diese
Erkenntnis ist z.B. für die Lagerung und Förderung von Pulvern von Bedeutung, aber auch z.B.
für die Tablettierung in der Pharmaindustrie.
Ein weiterer positiver Effekt der Partikelformanalyse ist, dass auf dem Gebiet der Zerkleinerung
das Verständnis der Vorgänge während der Zerkleinerung verbessert wird.
16
3 Material und Methode
3.1 Versuchsplan
Wie bereits erwähnt, sollte mit Hilfe dieser Arbeit der Einfluss der Partikelform auf die
rheologischen Eigenschaften von Fettsuspensionen untersucht werden, in Anlehnung an
Schokolade.
Als Rohstoff wurde sich letztendlich für Zucker entschieden, jedoch fanden zu Beginn Versuche
unter Verwendung von Kochsalz statt. Dies aus dem Grund, dass Kochsalz
temperaturunempfindlicher ist als Zucker und somit die hohen Temperaturen, die bei der
Zerkleinerung auf Grund der Reibung entstehen, keinen negativen Einfluss nehmen. So konnten
zu Beginn erste Vorversuche stattfinden und verschiedene Einstellungen an den
Zerkleinerungsmaschinen und Analysengeräten getestet werden. Hierauf wird im weiteren
Verlauf der Arbeit genauer eingegangen.
Der letztendliche Versuchsplan der Hauptversuche sieht folgendermaßen aus. Zucker wurde mit
Hilfe verschiedener Zerkleinerungsmaschinen trocken zerkleinert. Da bei diesen verschiedenen
Techniken unterschiedliche Partikelgrößenverteilungen entstehen, wurden die Proben
anschließend siebklassiert. Der Gedanke war der, dass nach der Siebklassierung die Fraktionen
der Proben die auf unterschiedliche Weisen zerkleinert wurden, sich in ihrer Partikelgrößen-
verteilung ähneln und somit Unterschiede in den rheologischen Eigenschaften nur noch auf die
Partikelform zurückzuführen sind.
3.2 Versuchsdurchführung
Zu Beginn der Projektarbeit wurden Vorversuche durchgeführt. Hierbei wurde Kochsalz mittels
Stiftmühle und Kugelmühle zerkleinert und untersucht.
Bei der Probenbereitung der Vorversuche mittels Stiftmühle wurde das Kochsalz bei einer
Drehzahl von 10.000 U/min zerkleinert. Bei der Zerkleinerung mittels Kugelmühle wurde eine
Drehzahl von 600 U/min gewählt und eine Zerkleinerungszeit von 4 Minuten. Anschließend
wurden die Proben mittels Analysensiebe (Ø 200 mm) fraktioniert.
Um eine schärfere Trennung der einzelnen Fraktionen zu erreichen wurde ein weiterer Versuch
durchgeführt, wobei das Kochsalz mittels Stiftmühle zerkleinert und anschließend mittels Aceton
nassklassiert wurde. Dabei wurden Analysensiebe mit den Maschenweiten 45 μm, 63μm, 125
μm, 250 μm und 500 μm verwendet. 200 g Probe wurden mit etwa 400 ml Aceton vermischt und
auf das oberste Sieb gegeben. Anschließend wurde der Siebturm für eine Dauer von 15 Minuten
und einer Amplitude von 1,5 mm eingeschaltet. Während der kompletten Dauer der Klassierung
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wurde über das oberste Sieb Aceton nachdosiert. Nach der Klassierung wurden die Proben unter
einem Abzug zum Trocknen gestellt. Da sich die feinste Fraktion in dem eingesetzten Aceton
befand und somit eine Trocknung unter dem Abzug zu zeitaufwendig gewesen wäre, wurde es
mittels Rotationsverdampfer Rotavapor R-114 der Firma Büchi (Essen, Deutschland)
abdestilliert. Aus Gründen die im späteren Verlauf der Arbeit noch verdeutlicht werden, wurde
sich letztendlich für folgenden Versuchsplan der Hauptversuche entschieden.
Zucker wurde mit Hilfe einer Stiftmühle, einer Kugelmühle, eines Dreiwalzwerkes und einer
Scheibenmühle trocken zerkleinert und anschließend mit Hilfe von Analysensieben
trockenklassiert. Verwendet wurden hierbei Siebe mit den Maschenweiten 500 μm, 250 μm, 125
μm, 63 μm und 45 μm. Die Proben wurden anschließend per Laserbeugungsspektrometer,
Bildanalyse und Rotationsrheometer analysiert.
Alle Versuche wurden doppelt durchgeführt um zu überprüfen, ob die Ergebnisse der Versuche
wiederholbar sind.
Die folgende Tabelle zeigt den Versuchsplan der Hauptversuche und die verwendeten
Einstellungen.
Tabelle 1: Einstellung der verschiedenen Zerkleinerungsmaschinen der Hauptversuche
Zerkleinerungstechnik Einstellungen
Stiftmühle 10.000 U/min
Kugelmühle 350 U/min für 1,25 min
Walzwerk 15/30 bar
Scheibenmühle 20 Durchgänge
Bei der Zerkleinerung mittels Kugelmühle musste die Drehzahl im Vergleich zu der
Probenbereitung von Kochsalz reduziert werden, da sich zeigt, dass bei zu hoher Drehzahl sich
der Zucker als feste Schicht an der Behälterwand absetzte. Der Grund hierfür liegt
höchstwahrscheinlich in der hohen Temperatur, die während der Zerkleinerung durch die
Reibung entstand.
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3.2.1 Rohstoffe
In diesem Kapitel wird angegeben welche Rohstoffe für die praktischen Versuche zur
Anfertigung dieser Projektarbeit verwendet wurden.
Tabelle 2: verwendeten Rohstoffe und deren Lieferanten
Rohstoff Lieferant
Kochsalz SüdKochsalz GmbH, Heilbronn, Deutschland
Zucker Nordzucker AG, Braunschweig, Deutschland
Silikonöl Wacker Chemie AG, München, Deutschland
Silikonöl
Im Rahmen dieser Arbeit wurden u.a. die rheologischen Eigenschaften untersucht. Dabei wurde
als Dispersionsmittel hochviskoses Silikonöl verwendet. Der Grund für die Entscheidung dieses
Mediums wird im späteren Verlauf der Arbeit noch verdeutlicht.
Silikone, auch Poly(organo)siloxane genannt, gehören zur Klasse der Kunststoffe. Dabei wird
das Grundgerüst nicht durch miteinander verbundene Kohlenstoffatome gebildet, sondern durch
abwechselnd hintereinander folgende Silizium- und Sauerstoff-Atome (Kohaupt, 1996).
Dabei sind die restlichen Valenzen durch Kohlenwasserstoffreste abgesättigt (meist Methyl-,
seltener Ethyl-, Propyl-, Phenylgruppen u.a.) (Falbe, 1992).
Silikone werden aus Quarzsand gewonnen und nehmen eine Zwischenstellung zwischen den
Silikaten und den Kohlenwasserstoffen ein (Kohaupt, 1996).
Silkone, die einen kettenförmigen Aufbau aufweisen gehören zu den Silikonölen die hydrophob
sind. Ihre Viskosität ist von der Temperatur weitestgehend unabhängig (Hoinkis, 2001). Die
Dichte der Silikonöle liegt zwischen 0,76 und 1,07 g/cm3 und ihre Viskosität zwischen 0,6 und
1.000.000 mPa·s (Falbe, 1992). Die folgende Abbildung zeigt die Strukturformel des Silikons
Polydimethylsiloxan.
Formel 1: Strukturformel Polydimethylsiloxan (Wacker, 2012)
19
3.2.2 Zerkleinerung mit der Stiftmühle
Hierbei kam die Stiftmühle ZM1000 der Firma Retsch (Haan, Deutschland) zum Einsatz, welche
in Abbildung 7 dargestellt ist.
Abbildung 7: Stiftmühle ZM1000 der Firma Retsch
Bei der Stiftmühle handelt es sich um eine Rotorprallmühle. Sie werden zur Fein- und
Feinstmahlung von mineralischen, pflanzlichen und tierischen Stoffen eingesetzt.
Stiftmühlen bestehen aus einer rotierenden und einer stehenden Scheibe, die mit in
konzentrischen Kreisen angeordneten Stiftreihen besetzt sind. Dabei greifen die Reihen der
Rotorscheibe in die der Statorscheibe ein (Hager, 1998). Es gibt auch Ausführungen, die zwei
gegenläufig rotierende Scheiben besitzen, wodurch sich die Aufprallgeschwindigkeit erhöht
(Stieß, 1994).
Die Zerkleinerung erfolgt durch Schlag und Prall (Hager, 1998). Die Endfeinheit wird durch die
Art der Bestiftung, die Anzahl der Stiftreihen, die Rotordrehzahl und den Durchsatz bestimmt
(Stieß, 1994).
Die Rotorschiebe liegt horizontal, das Mahlgut wird mit Hilfe eines Trichters zentral aufgegeben
und durch die Fliehkraft nach außen befördert, wobei es von der rotierenden Stiftscheibe verteilt
und im stufenweisen Durchgang zerkleinert wird (Hager, 1998). Eine Klassierung ist nicht
vorhanden (sieblose Ausführung) (Stieß, 1994).
Im Rahmen der Versuche wurde eine Drehzahl von 10.000 U/min gewählt.
20
3.2.3 Zerkleinerung mit der Planetenkugelmühle
Hierbei kam die Planetenkugelmühle „Pulverisette 6“ der Firma Fritsch (Idar-Oberstein,
Deutschland) zum Einsatz. Diese arbeitet nach dem Prinzip der Planetenkugelmühle. Es wird
eine kombinierte Umlauf- und Drehbewegung erzeugt, die für eine radial nach außen gerichtete
Fliehkraft auf das Mahlgut und die Mahlkugeln sorgt. Eine weitere Fliehkraftkomponente die bei
diesem Vorgang eine Rolle spielt, rührt aus der Rotationsbewegung des Mahlbechers her.
Schließlich nimmt auch die Corioliskraft Einfluss. Ergebnis des Zusammenwirkens aller dieser
Kräfte ist ein Kraftfeld, dem die Mahlkugeln und das Mahlgut folgen. So entstehen für die
Mahlkugeln Flugbahnen, die quer durch den Mahlbecher gehen. Zu den Faktoren, die Einfluss
auf die Mahlwirkung nehmen gehören unter anderem der Aufprall der Kugeln am Mahlrand und
die Quetschung des Mahlgutes (Patent Fritsch, 1998). Somit erfolgt die Zerkleinerung in eine
Planetenkugelmühle durch Schlag und Reibung.
Die folgende Abbildung zeigt verdeutlicht das Wirkprinzip einer Planetenkugelmühle.
Abbildung 8: Wirkprinzip einer Planetenkugelmühle (Fritsch, 2012)
3.2.4 Zerkleinerung mit dem Dreiwalzwerk
Hierbei wurde das Modell WDLH 300 der Firma F.B. Lehmann Maschinenfabrik GmbH (Aalen,
Deutschland) eingesetzt.
Die Einstellung erfolgt über den Anpressdruck (dynamischer Spalt).
Für die Versuche dieser Projektarbeit wurde eine Frequenz von 40 Hz gewählt.
Bei der Zerkleinerung wird da
dies dadurch, dass die zweite
wird das Gut an die dritte W
Schritt wird das Walzgut mit
2008).
Um bei der Schokoladenherst
können die Walzen mit Hilfe v
eine Temperierung eigentlich
somit kein Fett auskristallisier
der Wiederholung gleich zu ha
Während der Zerkleinerung z
blieb und nur ein kleiner Teil h
Die folgende Abbildung zeigt
Abbildung 9: Schematische D
21
as zu walzende Gut von der ersten auf die zw
Walze eine höhere Drehzahl aufweist als d
Walze übertagen, die die höchste Drehzahl a
t Hilfe eines Abschabemessers von der Wa
ellung ein Auskristallisieren der Schokoladen
von Wasser temperiert werden. Für die Versu
h nicht notwendig, da alle Proben trocken ze
ren kann, jedoch wurde trotzdem temperiert
alten. Hierbei wurde eine Temperatur von 45
eigte sich, dass der größte Teil des Zuckers
herunter fiel.
den schematischen Aufbau des Dreiwalzwerk
arstellung eines Labor-Dreiwalzwerks
eite Walze übertragen,
ie erste. Anschließend
aufweist. Nach diesem
alze entfernt (Beckett,
nmasse zu verhindern,
uche dieser Arbeit war
erkleinert wurden und
um alle Parameter bei
°C gewählt.
an den Walzen haften
kes.
22
3.2.5 Zerkleinerung mit der Scheibenmühle
Hierbei kam die Scheibenmühle MKCA6-3 der Firma Masuko Sangyo (Kawaguchi, Japan) zum
Einsatz, welche in Abbildung 10 dargestellt ist.
Abbildung 10: Scheibenmühle MKCA6-3 der Firma Masuko Sangyo
Verwendet wurden Mahlscheiben des Typs MKE, die aus Siliciumcarbid bestehen.
Bei einer Scheibenmühle wird das Mahlgut zwischen einer feststehenden Statorscheibe und einer
rotierenden, axial verstellbaren Rotorscheibe zerkleinert. Das Mahlgut wird zentral durch die
Statorscheibe zugeführt und nach außen zu den glatten oder geriffelten Zerkleinerungszonen der
Mahlscheiben befördert, wobei deren Form und Abstand die Endfeinheit bestimmen (Hemming,
2008). Bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit erfolgt die Zerkleinerung durch Druck- und
Scherbeanspruchung, bei höheren Rotationsgeschwindigkeiten erfolgt sie über Schlag- und
Scherbeanspruchung (Hager, 1998).
Je nach Mahlraum- und Scheibenform wird zwischen Prallscheiben-, Korundscheiben- und
Zahnscheibenmühlen mit vertikaler oder horizontaler Rotorachse unterschieden (Hemming,
2008).
3.2.6 Siebklassierung
Die Siebklassierung dient der Erzeugung einer gewünschten Korngrößenverteilung eines
Mediums. Hierbei werden Siebe unterschiedlicher Maschenweiten übereinander gestapelt, die
Probe auf das oberste Sieb gegeben und anschließend der sog. Siebturm in Rotation versetzt,
sodass die Probe nach und nach durch die verschiedenen Siebe fällt und dabei in ihre einzelnen
Korngrößen (Fraktionen) aufgeteilt wird.
23
Zur Siebklassierung im Rahmen der Vorversuche wurden Analysensiebe der Firma Joachim
Edinger (Leinburg, Deutschland) verwendet. Es wurden die Maschenweiten 125 μm, 63 μm und
32μm verwendet. Die Siebe besitzen einen Durchmesser von 50 mm.
Zur Siebklassierung der Proben der Hauptversuche und einem Teil der Vorversuche wurden
Analysensiebe der Firma Retsch (Haan, Deutschland) verwendet. Es wurden die Maschenweiten
500 μm, 250 μm, 125 μm, 63 μm und 45 μm verwendet. Die Siebe besitzen einen Durchmesser
von 200 mm.
Um eine gleichbleibende Rotation der Siebe zu gewährleisten wurde der Siebturm AS200 der
Firma Retsch (Haan, Deutschland) verwendet. Es wurde eine Menge von 400 g Probe
aufgegeben und bei einer Amplitude von 1,5 mm für eine Dauer von 14 Minuten klassiert.
3.3 Analytische Messmethoden
In diesem Kapitel werden die verschiedenen analytischen Messmethoden erläutert, die im
Rahmen dieser Arbeit zum Einsatz kamen. Diese sind die Laserbeugungsspektrometrie, die
Bildanalyse und die Analyse der rheologischen Eigenschaften mit Hilfe eines
Rotationsrheometers.
3.3.1 Laserbeugungsspektrometer
Um die Partikelgrößenverteilung einer Probe zu ermitteln, wird die Laserbeugungsspektrometrie
eingesetzt, die auf dem Prinzip des Fraunhofer- bzw. Mie-Modells beruht (Tscheuschner, 2004).
Das Prinzip der Laserbeugungsspektrometrie beruht darauf, dass Partikel, die von einem
Laserstrahl bestrahlt werden, das Licht beugen. Die Intensität der Beugung ist von der Größe der
Partikel abhängig, wobei es von großen Partikeln wenig und von kleinen Partikeln stark gebeugt
wird. Der benötigt Laserstrahl wird von einem Helium-Neon-Laser erzeugt, welcher von einer
Strahlaufweitungseinheit aufgeweitet wird und anschließend mit Hilfe einer Linse parallelisiert
wird. Daraufhin durchläuft der Laserstrahl den Probenbehälter und trifft hierbei auf das
Teilchenkollektiv und wird von diesem gestreut.
Hinter dem Probenbehälter befindet sich eine sog. Fourier-Linse, die das Beugungslicht eines
Partikels einer bestimmten Größe, unabhängig von der Position des Partikels, immer an der
gleichen Stelle, eines hinter der Linse befindlichen Ringdetektors, abbildet. Das gebeugte Licht
bildet auf dem Detektor, der sich hinter der Fourier-Linse befindet, ein radialsymmetrisches
Beugungsmuster (Wozniak, 2003).
Mittels Receivers und einem
ausgewertet werden und die P
Abbildung 11 zeigt den schem
Abbildung 11: schematische D
Durchführung der Messung (N
Zu Beginn werden 2 g Probe
sich eine homogene Probe erg
für 15 Minuten in ein auf 40
Agglomerate aufzuspalten.
spektrometers gestartet und da
eine optische Konzentration
eigentliche Messung, die drei
untersucht, wodurch sich sech
Durchführung der Messung (T
Zu Beginn der Messung mus
Powder Feeder angeschloss
Probenwanne eingesetzt. Dar
eingefüllt. Die Feed Rate wir
Schritt erfolgt, wird der Dreh
Hintergrundmessung gestartet
Feeders auf „Feed“ gestellt un
24
m PC mit geeigneter Software können die
artikelgrößenverteilung ermittelt werden.
matischen Aufbau eines Laserbeugungsspektro
Darstellung eines Laserbeugungsspektrometer
Nassmessung)
in ca. 50 ml Sonnenblumenöl gegeben und s
gibt. Anschließend wird die Probe in ein Reag
°C temperiertes Ultraschallbad gegeben um
Danach wird die Hintergrundmessung
araufhin die Probe in den Probenbehälter de
von 18 bis 25 % erreicht ist. Nach diesem
imal hintereinander erfolgt. Jede Probe wurd
hs Messwerte ergeben
Trockenmessung)
s die Nasszelle gegen die Trockenzelle ausg
sen werden. Anschließend werden das
aufhin wird der Dry Powder Feeder einges
rd auf 50 % und der Luftdruck auf 1,2 bar
hschalter am Dry Powder Feeder auf „Airflow
t. Ist diese abgeschlossen wird der Drehsch
nd die Messung wird gestartet. Nun wird üb
e Daten anschließend
ometers.
rs (Wozniak, 2003)
so lange vermischt bis
genzglas überführt und
m eventuell vorhandene
des Laserbeugungs-
es Gerätes gegeben bis
m Vorgang erfolgt die
de insgesamt zweimal
getauscht und der Dry
Probensieb und die
schaltet und die Probe
r eingestellt. Ist dieser
w“ eingestellt und die
halter des Dry Powder
ber einen Rüttelimpuls
25
der Probenwanne dem Laserbeugungsspektrometer stetig Probe zugeführt. Nach der Messung
wird der Drehschalter auf „Standby“ geschaltet.
Darstellung der Ergebnisse
Zu Beginn wird das Ergebnis der Messung als Volumenverteilung angegeben. Grund hierfür ist,
dass die Größe eines Partikels als Volumen einer volumengleichen Kugel angegeben wird. Da
diese Methode alle Partikel als Kugeln darstellt, entsteht bei vorliegen von nicht kugelförmigen
Partikeln ein geringer Fehler, der aber tolerierbar ist. Aus der Verteilungsfunktion werden mit
Hilfe einer geeigneten Software die sogenannten d10-, d50- und 90-Werte bestimmt. Hierbei
sagt ein d90-Wert von 30 μm aus, dass 90 % aller Partikel kleiner gleich 30 μm sind. Zur
weiteren Auswertung gehört ein Diagramm, das die Partikelgrößenverteilung darstellt, wobei das
Diagramm über die Summenhäufigkeit Q3 und die Dichtverteilung p3 angegeben wird.
Schließlich kann zur weiteren Auswertung die spezifische Oberfläche herangezogen werden, die
von der Software ebenfalls berechnet wird und Rückschlüsse auf die rheologischen
Eigenschaften einer Schokoladenprobe erlaubt. Hierbei setzt die Software voraus, dass es sich
um kugelförmige Partikel handelt, wodurch eine Abweichung von den tatsächlichen Werten
entsteht. Diese Abweichung wird jedoch bei der Auswertung der Daten vernachlässigt.
Eine weitere Möglichkeit der Beurteilung der Ergebnisse ist der sogenannte Span und die
spezifische Breite, die die Breite des Partikelspektrums angeben, wohingegen die spezifische
Oberfläche die Partikeloberfläche von 1 cm3 Probenvolumen angibt.
Der Span und die spezifische Breite berechnen sich nach den folgenden Formeln.
Span = ( d90 - d10 ) / d50
spez. Breite = d90/d10
3.3.2 Bildanalyse
Um die Partikelform der einzelnen Proben zu analysieren, wurde das Gerät Morphologi G3 der
Firma Malvern Instruments (Worcestershire, United Kingdom) verwendet.
Bei diesem Gerät handelt es sich um ein Lichtmikroskop, das mit einer Digitalkamera
ausgestattet ist. Wie bei der klassischen Mikroskopie werden die Partikel, die sich zwischen zwei
Glasplatten bzw. auf einem Objektträger befinden, vermessen. Auf diese Weise können sowohl
Partikelform, als auch Partikelgröße ermittelt werden.
Grundlegende Elemente des Gerätes sind der bewegliche Objekttisch auf dem sich der
Objektträger befindet, die Dispergiereinheit und die optische Einheit. Diese besteht aus der
26
Digitalkamera und fünf verschiedenen Objektiven. Die Objektive beinhalten eine 2,5-fach-, 5-
fach-, 10-fach-, 20-fach- und eine 50-fach-Vergrößerung. Der Vergrößerungsfaktor von der
Kamera auf einen 17-Zoll Monitor beträgt 48. Somit liegt beispielsweise die Vergrößerung des
2,5-fach Objektivs bei 120 (Seidel, 2012). Mit Hilfe der Objektive kann theoretisch ein
Größenbereich von 0,5 bis 1000 μm analysiert werden.
Die Proben können auf verschiedene Weisen untersucht werden. Zur Untersuchung von
pulverförmigen Proben kann die sogenannte Sample Dispersion Unit (SDU) verwendet werden.
Diese besteht aus einem Metallzylinder in dessen Kopf sich ein Probenbehälter befindet. Zur
Untersuchung wird eine kleine Probenmenge in den Probenbehälter der SDU gegeben.
Anschließend wird ein Druckluftschlauch angeschlossen. Zur Probenaufgabe wird die SDU auf
die Glasplatte des Mikroskops aufgesetzt und anschließend die Probe über Druckluft in der SDU
verwirbelt. Während eines festgelegten Zeitraums setzt sich die Probe auf der Glasplatte ab und
kann anschließend vermessen werden.
Eine weitere Möglichkeit eine Probe zu untersuchen ist die Verwendung von klassischen
Objektträgern. Hierbei können bis zu vier Objektträger in eine dafür vorgesehene Halterung
eingesetzt werden, die anschließend in den Objektträgertisch des Gerätes eingelegt wird.
Eine dritte Möglichkeit Proben zu untersuchen besteht über die Verwendung der sogenannten
Nasszelle. Diese besteht aus zwei Glasplatten zwischen denen sich eine Dichtung befindet. Zur
Fixierung der beiden Glasplatten sind diese in einen zweiteiligen Metallrahmen eingefasst. Die
Probe, die sich in einem Lösungsmittel dispergiert befindet, wird mit Hilfe einer Spritze über
Luer-Lock-Verbindungen, die sich in einer der beiden Glasplatten befinden, eingespritzt.
Anschließend wird die Nasszelle in den Objektträgertisch des Gerätes eingesetzt, woraufhin die
Messung gestartet werden kann. Bei dieser Art der Probenuntersuchung ist es jedoch wichtig,
dass sich keine Partikel im Schwebezustand befinden wenn die Analyse gestartet wird,
andernfalls werden die Partikel falsch erfasst, was das Messergebnis verfälschen würde.
Dieser Sachverhalt wird in der folgenden Abbildung verdeutlicht.
Abbildung 12: Nasszelle des Gerätes Morphologi G3 im Querschnitt
Fokus
27
Bevor die Analyse gestartet wird, ist eine Feinfokussierung notwendig, die manuell erfolgt. Dies
ist notwendig um ein scharfes Bild zu erzeugen. Hierbei kann zusätzlich das Strahlungsbündel
des von unten scheinenden Lichtes verändert werden. Somit kann der Kontrast reguliert werden,
wodurch eine bessere Trennschärfe zwischen Partikel und Hintergrund erzeugt wird. Die
Regulierung des Strahlungsbündels erfolgt über die sogenannte Aperturblende (Aperture
Diaphragm Lever ADL), die sich unterhalb des Objektträgertisches befindet. Während der
Kalibrierung, die vor der Messung erfolgt, ist die Aperturblende zu 80 bis 90 Prozent geöffnet.
Während der eigentlichen Messung ist sie dann nur noch bis zu 20 bis 30 Prozent geöffnet.
Die eigentliche Messung erfolgt in folgenden Schritten. Die Digitalkamera erzeugt aus dem
dreidimensionalen Partikel ein zweidimensionales Bild. Dieser Vorgang wird in Abbildung 13
verdeutlicht.
Abbildung 13: Umwandlung eines dreidimensionalen Partikels in ein zweidimensionales Bild (Malvern, 2008)
Die Software vergleicht mit Hilfe eine Algorithmus die Pixel bezüglich ihrer Intensität auf einer
Grauskala. Somit ist es der Software möglich zwischen Hintergrundpixeln und Partikelpixeln zu
unterscheiden.
Da es nicht möglich ist die Bildanalyse auf einen Formparameter zu reduzieren werden
verschiedene Messwerte ermittelt. Die für diese Arbeit relevanten Formparameter sind die
Zirkularität, Konvexität und Elongation.
Die Zirkularität spiegelt die Rundheit eines Partikels wider. Sie ist das Verhältnis zwischen dem
Umfang eines Kreises mit dem gleichen Flächeninhalt wie das Partikel und dem real gemessenen
Umfang. Für die Berechnung der Zirkularität sind verschiedene Formeln notwendig.
Partikel in 3D Partikel in 2D Partikel in 2D
28
Die grundlegende Formel zur Berechnung der Zirkularität ist folgende:
Zirkularität =P
K
UU
Formel 2: Zirkularität
Hierbei steht UK für den Umfang des flächeninhaltsgleichen Kreises und UP für den Umfang des
Partikels. Weitere Formeln die benötigt werden sind die für den Flächeninhalt A und den
Durchmesser d eines Kreises.
2
4dA π=
Formel 3: Flächeninhalt eines Kreises
πKUd =
Formel 4: Durchmesser eines Kreises
Wird nun Formel 4 in Formel 3 eingesetzt, ergibt die folgende Formel.
πππ
4)(*
4
22 KK UUA ==
Formel 5: Formel 4 in 3 eingesetzt
Um die Zirkularität berechnen zu können wird diese Formel nach UK umgestellt und in Formel 2
eingesetzt:
AUK π4=
Formel 6: nach UK umgestellte Formel 5
PP
K
UA
UUätZirkularit π4==
Formel 7: Formel 6 in Formel 2 eingesetzt
Für die Erzeugung von genaueren Ergebnissen wird die sogenannte HS Zirkularität (High
Sensitivity) verwendet. Hierbei werden die beiden Terme oberhalb und unterhalb des
Bruchstriches quadriert.
29
Somit ergibt sich folgende Formel:
2
4
PUAätZirkularitHS π=−
Formel 8: HS-Zirkularität
Die Werte für die Zirkularität liegen zwischen 0 und 1, wobei ein idealer Kreis einen Wert von 1
besitzt und ein „stachelförmiges“ Partikel einen Wert von 0 besitzt. Für eine niedrige
Fließgrenze einer Schokolade sind Werte nahe 1 gewünscht.
Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Partikelformen und die dazugehörigen
Zirkularitätswerte.
Abbildung 14: verschiedene Partikelfomen und die dazugehörigen Zirkularitätswerte (Malvern, 2008)
Ein weiterer wichtiger Formparameter ist die Konvexität. Sie spiegelt die Rauheit eines Partikels
wider. Dazu wird der gedachte Umfang eines Partikels durch den tatsächlichen Umfang geteilt.
Um sich vorzustellen, wie sich der gedachte Umfang ergibt, kann man sich vorstellen, dass um
das Partikel ein elastisches Band gewickelt wird. Somit ergibt die Länge des Bandes den
gedachten Umfang eines Partikels. Dies wird durch die folgende Abbildung verdeutlicht.
30
Abbildung 15: um ein Partikel gewickeltes elastisches Band (Malvern, 2008)
Die zur Berechnung der Konvexität notwendige Formel ist folgende:
UUKonvexität ´=
Formel 9: Konvexität
Wie die Zirkularität liegen die Konvexitätswerte zwischen 0 und 1, wobei ein Partikel mit einer
vollkommen glatten Oberfläche einen Wert von 1 annimmt und ein Partikel mit zerklüfteter
Oberfläche in Richtung 0 geht.
Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Partikelformen und die dazugehörigen
Konvexitätswerte.
Abbildung 16: verschiedene Partikelformen und die dazugehörigen Konvexitätswerte
Beim Stoffsystem Schokolade sind Partikel erwünscht, die eine glatte Oberfläche besitzen, da
somit kein Fett in Zwischenräumen vorliegt, welches somit nicht frei vorliegen würde und die
Fließeigenschaften verschlechtern würde. Somit sind Konvexitätswerte nahe 1 erwünscht.
31
Der dritte wichtige Formparameter ist die Elongation. Sie beschreibt das Längen-Breiten-
Verhältnis eines Partikels und berechnet sich mit Hilfe der folgenden Formel.
LängeBreiteElongation −= 1
Formel 10: Elongation
Ebenfalls die Elongation nimmt Werte zwischen 0 und 1 an. Sind Länge und Breite eines
Partikels gleich liegt der Wert bei 0. Liegt die Länge jedoch deutlich über der Breite nimmt die
Elongation einen Wert in Richtung 1 an.
Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Partikelfomen und die dazugehörigen
Elongationswerte.
Abbildung 17: verschiedene Partikelformen und die dazugehörigen Elongationswerte
Für eine niedrige Grenzviskosität einer Schokolade ist laut Windhab (2004) ein Anteil von 10 –
15 % stäbchenförmiger Partikel erwünscht, also nahe 1.
Um all diese Formparameter bestimmen zu können muss die Software verschiedene
morphologische Parameter ermitteln. Diese Parameter werden im Folgenden kurz erläutert.
32
Tabelle 3: Übersicht der Parameter für die Bestimmung der Formeigenschaften (Malvern, 2008)
Parameter Beispiel Erläuterung
Fläche A Sie spiegelt die visuell
dargestellte Fläche eines
Partikels in Pixeln oder μm2
wider.
Haupt- und Nebenachse Die Hauptachse durchläuft den
Schwerpunkt eines Objektes
mit einer Orientierung die der
geringsten Rotationsenergie
entspricht. Die Nebenachse
durchläuft den Schwerpunkt
eines Objektes in einem
rechten Winkel zur
Hauptachse.
Länge Zur Bestimmung der Länge
werden alle möglichen Punkte
auf dem Umfang eines
Objektes parallel zur
Hauptachse aufgetragen. Die
längste dieser Linien entspricht
der Länge des Objektes.
Breite Zur Bestimmung der Breite
werden alle möglichen Punkte
auf dem Umfang eines
Objektes parallel zur
Nebenachse aufgetragen. Die
längste dieser Linien entspricht
der Breite des Objektes.
33
Max. Abstand Der max. Abstand die die
Entfernung zwischen den
beiden am weitesten
voneinander entfernten
Punkten eines Objektes.
Umfang U Der Umfang entspricht der
Länge des äußeren Randes
eines Objektes. Dazu werden
alle Pixel die sich am Rand
eines Partikels befinden
aufsummiert. Der Umfang
wird in μm wiedergegeben.
Bei dem links gezeigten
Beispiel ergibt sich der
Umfang folgendermaßen.
U=A+B+C+D+E
Umfang U´ Hiermit ist der gedachte
Umfang eines Partikels
gemeint. Dazu stellt man sich
ein elastisches Band vor, dass
um das Partikel gewickelt
wird. Die Länge des Bandes
entspricht dem Umfang U´.
CE Durchmesser (Circle
Equivalent)
Der CE Durchmesser
entspricht dem Durchmesser
eines Kreises, der denselben
Flächeninhalt besitzt wie das
Partikel.
34
Erstellen einer SOP
Für die Analyse einer Probe benötigt das Gerät „Morphologi G3“ eine sogenannte SOP
(Standard Operating Procedure), die einmalig vor der Messung erstellt wird. Die SOP beschreibt
die Messvorgehensweise und –einstellungen für die Analyse. Nach dem Erstellen einer SOP
muss sie für alle folgenden Analysen nur noch abgerufen werden. Somit ist es möglich alle zu
analysierenden Proben auf die gleiche Weise zu untersuchen und dadurch die Messgenauigkeit
zu erhöhen.
Die Erstellung einer SOP erfolgt schrittweise, wobei alle notwendigen Vorgaben und
Einstellungen vom Bediener eingegeben werden.
Die folgende Auflistung zeigt die schrittweise Erstellung einer SOP.
1. Sample Details:
Hierbei kann der Bediener bereits einen Probennamen eingeben. Zusätzlich ist es hier möglich
ein Kontrollkästchen zu aktivieren wodurch der Bediener vor oder nach der Messung zur
Eingabe des Probennamens aufgefordert wird. Des Weiteren kann hier festgelegt werden, dass
der Bediener zusätzliche Informationen zur Messung oder Probe erhält.
2. Pre-Measurement settings:
Hier kann der Bediener einen Hinweis oder eine Aufforderung eingeben, die vor der Messung
erscheint und für diese von Bedeutung ist. Hilfreich ist diese Funktion z.B. für den Hinweis,
dass der Bediener den Hebel der Aperturblende wieder in die Ausgangsposition bringen soll.
3. Measurement Control:
Hier gibt der Bediener an, wie viele Versuchsplatten analysiert werden soll. Bei Verwendung
der Nasszelle oder der Glasplatte reicht lediglich eine wird jedoch die Apparatur verwendet in
die bis zu vier Objektträger eingesetzt werden können, kann die Anzahl auf vier erhöht
werden. Des Weiteren kann eingestellt werden, ob die Ergebnisse als ein Gesamtergebnis oder
vier einzelne Ergebnisse angegeben werden sollen. Schließlich kann vorgegeben werden viele
Partikel insgesamt analysiert werden sollen. Dazu aktiviert der Bediener das entsprechende
Bedienfeld und gibt die Partikelanzahl ein.
35
4. Sample Carrier:
Hier wählt der Bediener die Probenapparatur aus die er verwenden möchte (z.B. Glasplatte,
Nasszelle, Objektivträger). Des Weiteren kann die Funktion „Compensate for plate tilt“
aktiviert werden. Da die Gefahr besteht, dass die Probenapparatur nicht exakt waagerecht in
der Halterung liegt kann es dazu kommen, dass an der einen Seite der Apparatur scharfe
Bilder erzeugt werden an der anderen Seite jedoch unscharfe. Um einen solchen Fehler
auszugleichen führt das Gerät an den Rändern Probenapparatur Kalibrationen durch und
erkennt somit eine vorliegende Schieflage.
Bei Verwendung des Objektträgers unter Nutzung eines Deckgläschens muss das
Kontrollkästchen „Coverslip over sample „ aktiviert sein, da es ansonsten bei der
Fokussierung zu einem Fehler und somit zu fehlerhaften Messergebnissen kommen kann.
5. Sample Dispersion Unit:
Handelt es sich bei der Probe um ein Pulver kann diese mit Hilfe der SDU auf die Glasplatte
aufgegeben werden. Dazu muss das entsprechende Kontrollkästchen aktiviert sein. Weitere
Einstellungen betreffen die Dicke der verwendeten Folie, den Luftdruck, die Dauer der
Luftdruckinjektion und die Absetzzeit.
6. Illumination:
Hierbei wählt der Bediener aus, ob zur Analyse der Probe Ober- oder Unterlicht verwendet
werden soll.
7. Optics selection:
Hier wählt der Bediener aus welches Objektiv und somit welche Vergrößerung verwendet
werden soll. Dabei wird angegeben welches Objektiv sich für welches Größenspektrum
eignet. Es ist auch möglich mehrere Objektive zu verwenden. Dabei wechselt bei der Messung
das Gerät bei Erreichen der Größenbereichsgrenzen eines Objektivs auf das nächstfolgende.
Des Weiteren kann eingestellt werden, ob vor jeder Messung eine Feinfokussierung erfolgen
soll oder ob bei jeder Messung der gleiche Fokus verwendet werden soll. Schließlich ist es
auch möglich das sogenannte z-stacking zu verwenden. Dabei fokussiert das Gerät während
der Messung auf verschiedenen Ebenen und setzt die erzeugten Bilder zu einem scharfen Bild
zusammen.
36
Mit Hilfe des sogenannten „Treshold“, auch Grenzbereich genannt, kann eingestellt werden in
wie weit Partikel vom Hintergrund unterschieden werden sollen. Dazu wird einmalig ein Bild
der Partikel erzeugt und mit Hilfe einer Skala der Treshold so eingestellt, dass Umrandungen
der Partikel klar erfasst werden und der Hintergrund für die Analyse ausgeblendet wird.
Als letzte Einstellung wird der Messbereich auf der Probenapparatur festgelegt.
8. Analysis settings:
Hierbei kann unter „Trash size“ die Minimum-Pixelzahl ausgewählt werden. Dadurch werden
nur Partikel ab der gewählten Pixelzahl gemessen und nicht darunter. Des Weiteren kann die
Funktion „fill holes“ ausgewählt werden. Da es vorkommen kann, dass Partikel auf Grund
ihrer Transparenz vom Hintergrund schlecht unterschieden werden können und somit als Ring
dargestellt werden, werden diese bei aktivierter Funktion automatisch als gefüllte Partikel
angezeigt.
9. Filters:
Durch diese Funktion ist es möglich bestimmte Partikel von dem Messergebnis
auszuschließen. Dazu stehen mehrere Parameter zur Verfügung. So ist es z.B. möglich, dass
Partikel bestimmter Größe ausgeschlossen werden und nicht mit in das Messergebnis
einfließen. Diese Filter können jedoch auch nach der Messung noch eingestellt werden.
10. Classification:
Diese Funktion dient dazu festgelegte Klassen zu erstellen. Somit kann z.B. eine Klasse
erstellt werden die nur Partikel mit ausgeglichenem Längen-Breiten-Verhältnis und glatter
Oberfläche enthält.
11. Post-measurement settings:
Diese Funktion kann genutzt werden um den Benutzer nach abgeschlossener Messung eine
Meldung anzuzeigen. Dies können z.B. Reinigungshinweise oder Sicherheitsanweisungen
sein.
37
12. Reports:
Diese Funktion dient dazu die Messergebnisse direkt nach der Messung auszudrucken. Dazu
wird eingestellt welche Parameter dieser Ausdruck enthalten soll. Des Weiteren ist es möglich
einen solchen Ausdruck als PDF-Datei erzeugen zu lassen.
Vor den Messungen erfolgt die Erstellung der SOP. Da festgestellt wurde, dass es nicht möglich
war mit nur einem Objektiv für alle Partikelgrößen Bilder mit hoher Qualität zu erzeugen, wurde
sich dafür entschieden jede Probe mit insgesamt vier Objektiven zu untersuchen. Dazu wurde für
den Größenbereich 20- μm die 5x-Vergrößerung gewählt, für den Größenbereich 10-20μm die
10x-Vergrößerung, für den Bereich 5-10 μm die 20x-Vergrößerung und für den Bereich 3-5μm
die 50x-Vergrößerung. Partikel unter 3μm wurden nicht analysiert, da hier die Bildschärfe so
schlecht ist, dass genaue Messergebnisse nicht erzeugt werden können.
Für jedes Objektiv wurde eine eigene SOP erstellt. Die folgende Tabelle zeigt die einzelnen
Einstellungen der SOPs (Malvern, 2008).
38
Tabelle 4: Einstellungen der verwendeten SOP
Einstellung
Sample Details Aufforderung zur Eingabe des Probennamens
Pre-Measurement
settings
Kontrollkästchen aktiviert, Hinweis zum Schließen der
Aperturblende vor der Messung
Measurement Control Kontrollkästchen „Fixed number of slides/plates” und “of
slides/plates combined into single result” aktiviert,
Kontrollkästchen “Minimum number of particles” aktiviert,
20.000 Partikel als Minimum angegeben
Sample Carrier Als Probenapparatur Nasszelle angegeben, Kontrollkästchen
„Compensate for plate tilt“ aktiviert
SDU Kontrollkästchen „Use SDU“ deaktiviert
Illumination Als Beleuchtung wurde die Beleuchtung von unten durch das
Aktivieren des Kontrollkästchens „Diascopic (bottom light)“
gewählt.
Optics selection Auswahl des 5x-, 10x-, 20x- bzw. 50x-Objektivs. Aktivierung des
Kontrollkästchens „Manual Focus“, Deaktivierung des „z-
stacking“
Analysis settings Als Minimum für die Pixelanzahl wurde 100 gewählt.
Filters Es wurden keine Filter eingesetzt.
Classification Es wurden keine Klasseneinteilungen vorgenommen
Post-measurement
settings
Kontrollkästchen “x” aktiviert, Hinweis, dass Bediener nach der
Messung die Aperturblende öffnen soll.
Reports Kontrollkästchen “Print selected reports“ deaktiviert
Berechnung der Partikelgröße
Die Software ist auch in der Lage die Partikelgröße eine Probe zu untersuchen. Dazu wird für
jedes Partikel ein Kreis mit gleichem Flächeninhalt berechnet. Der Durchmesser dieses Kreises
wird Äquivalentdurchmesser genannt. Ist ein volumengewichtetes Ergebnis der Partikelgröße
und der Formparameter gewünscht, wird eine Kugel mit gleichem Volumen berechnet. Der so
entstandene Äquivalentdurchmesser wird zur Berechnung der Ergebnisse herangezogen.
Bei diesen Ergebnissen ist jedoch zu beachten, dass sie sich stark von den Ergebnissen der
Partikelgrößenverteilung der Laserbeugungsspektrometrie unterscheiden. Grund hierfür ist die
39
unterschiedliche Ausrichtung während der Messung, aber auch der unterschiedliche Messbereich
der Geräte (Seidel, 2012).
Durchführung der Nassmessung
Zu Beginn werden 20 mm3 Probe mit Hilfe eines genormten Probenlöffels abgemessen mit 25
ml Sonnenblumenöl vermischt, sodass ein Verhältnis von 1:1250 entsteht. Anschließend wird die
Probe so lange vermischt bis sich die Probe homogen im Öl verteilt hat. Anschließend wird sie in
ein Reagenzglas überführt und für 15 Minuten in ein Ultraschallbad gegeben um eventuell
vorhandene Agglomerate aufzubrechen. Daraufhin wird die Probe in eine Spritze aufgezogen
und über die Luer-Lock-Verbindungen der Nasszelle in diese eingespritzt. Nach diesem Schritt
wird die Nasszelle in den Objektträgertisch des Gerätes eingesetzt. Die Analyse erfolgt erst am
folgenden Tag wenn sich alle Partikel auf der unteren Glasscheibe absetzen konnten.
Durchführung der Trockenmessung
Zu Beginn wird auf der Unterseite der für die Probe vorgesehenen Kartusche eine
Aluminiumfolie unter zur Hilfenahme eines Kunstoffringes befestigt. Anschließend wird die
Probe mit Hilfe eines Speziallöffels mit genormten Volumen in die Kartusche eingefügt. Danach
wird eine weitere Aluminiumfolie, diesmal oberhalb der Kartusche mit Hilfe eines
Kunststoffringes befestigt. Die so verschlossene Kartusche wird in den Kopf des Metallzylinders
der „SDU“ eingesetzt und der mit Hilfe eines Metalldeckels verschlossen. Nach diesem Schritt
wird die Durckluftzufuhr hergestellt und die Messung gestartet. Zu Beginn dieser wird der
Metallzylinder auf die Glasplatte aufgesetzt und Druckluft in die Kammer eingeleitet, die
Aluminiumfolie zerplatzt und die Probe setzt sich nach und nach auf der Glasplatte ab.
3.3.3 Rotationsrheometer
Die rheologischen Eigenschaften einer Schokolade sind von großer Bedeutung, da sie zum einen
die Endproduktqualität beeinflussen (Schmelz), aber auch die Verarbeitungsfähigkeit
(Pumpfähigkeit, Abtafeln).
Ideale Fluide, wie Flüssigkeiten und Gase fangen an zu fließen wenn sie irreversibel verformt
werden. Dieses Fließverhalten wird durch die wirksame Schubspannung ( ) verursacht.
Zwischen zwei ebenen Platten ergibt sich ein Geschwindigkeitsabfall in der laminaren
Schichtenströmung, der je nach Art der betreffenden Flüssigkeit unterschiedlich ist. Dieser wird
auch als Scherrate ( oder D) bezeichnet. Um den Zusammenhang zwischen Schubspannung und
40
Scherrate darzustellen, wird ein Diagramm herangezogen, das das Fließverhalten einer
Flüssigkeit beschreibt. In diesem bildet die Schubspannung die Ordinate und die Scherrate die
Abzisse. Dieses Diagramm wird „Fließkurve“ bezeichnet. Die scheinbare Viskosität, die von der
Scherrate abhängig ist, ergibt sich aus dem Quotienten der Schubspannung und der Scherrate
(Krebs, 2010; Schramm, 2000).
Um die rheologischen Eigenschaften einer Schokolade zu untersuchen werden
Rotationsrheometer eingesetzt. Ein solches System besteht aus einem zylindrischen Messbecher,
der die zu untersuchende Probe enthält. Dieser Messbecher ist von einem Temperiermantel
umgeben, der ein Temperieren der Probe ermöglicht. In diesem Messbecher befindet sich ein
Zylinder, der auch als Drehkörper bezeichnet wird. Dieser ist über eine Achse mit dem
Rheometer verbunden und wird über einen Motor angetrieben wird. Die Scherrate wird von
einem Steuerprogramm des PCs vorgegeben. Die Probe fängt während der Rotation des
Drehkörpers im Spalt der beiden Zylinder an zu fließen (Schramm 2000). Der Widerstand der
die Probe dem Drehmoment entgegensetzt wird an der Achse als Schubspannung ( = Kraft pro
Fläche) gemessen. Die Messung erfolgt in mehreren Abschnitten. Die folgende Tabelle zeigt das
Messprofil.
Tabelle 5: Messprofil des Rotationsrheometers (Koppe, 2012)
Abschnitt Messpunkt Messpunktdauer [s] Schergeschwindigkeit
[1/s]
1 5 (verwerfen) 2 0-30
2 60 (verwerfen) 3 30
3 5 (verwerfen) 5 30-1
4 35 (verwerfen) 1 1-0,05 (log)
5 3 (verwerfen) 2 0,05
6 10 3 0,05
7 5 (verwerfen) 2 0,05-5
8 10 3 5
9 5 (verwerfen) 2 5-40
10 30 3 40
11 5 (verwerfen) 2 40-60
12 400 0,25 60-0,05
41
Mit Hilfe der während der Analyse durchgeführten Messungen wird eine Fließkurve erstellt, aus
welchen anschließend Werte wie die Fließgrenze und Grenzviskosität berechnet werden. Die
Fließgrenze ist die Kraft die benötigt wird um eine Flüssigkeit zum Fließen zubringen. Die
Grenzviskosität, auch unendliche Viskosität genannt, beschreibt den Grenzwert der
Viskositätsfunktion für unendlich hohe Scherraten (Metzger, 2000).
Schließlich wird auch die Schubspannung bei konstanten Scherraten ermittelt. Dies dient dazu
Rückschlüsse auf die Verarbeitungsfähigkeit der Schokolade zu schließen. Da beim Abtafeln
und Formen der Schokolade niedrige Scherraten entstehen, sollte eine Schokolade im Bereich
dieser niedrigen Scherraten niedrige Schubspannungen aufweisen, damit sie sich optimal in der
Form verteilt. Niedrige Schubspannungen im Bereich von hohen Scherraten sind z.B. beim
Pumpen von Schokolade während der Verarbeitung von Bedeutung, da hierbei hohe Scherraten
entstehen und somit das Produkt optimal gefördert werden kann.
Die Messbereiche die in Tabelle 5 mit „verwerfen“ markiert sind dienen dem Vorscheren. Dies
ist notwendig um die Probe zu homogenisieren und um eine gleichmäßige Temperatur innerhalb
der gesamten Probe zu erreichen. Ohne das Vorscheren würde es zu Abweichungen zwischen
den Messungen kommen.
Zur Auswertung der Messungen können unterschiedliche Modelle herangezogen werden.
Casson: 1/2= C1/2+( C*˙ )1/2
Formel 11: Schubspannung nach Casson
: Schubspannung
C: Casson-Fließgrenze
C: Viskosität nach Casson
˙ : Scherrate
(Mezger, 2000)
Windhab: = 0+( 1- 0)*[1-exp(-˙ /˙ *)]+ *˙
Formel 12: Schubspannung nach Windhab
: Schubspannung
˙ : Scherrate
: Gleichgewichtsviskosität
0: Fließgrenze
1: Schubspannung
42
Dieses Modell wird von der ICA für Schokoladenschmelzen bei einer Temperatur von 40 °C im
Scherratenbereich ˙ = 2 bis 50 1/s empfohlen (Mezger, 2000).
Durchführung der Messung
Zur Probenbereitung wurden 10 g Probe mit 13 g Silikonöl vermischt. Bei diesem
Mischungsverhältnis zeigte sich, dass eine Viskosität entsteht bei der die Probe zwar hochviskos
ist, jedoch noch fließfähig ist so dass eine Analyse ohne Fehlermeldung der Software möglich
ist. Anschließend wurde die Probe in den Probenbehälter überführt und die Messung gestartet.
Hierbei wurde für den Temperiermantel eine Temperatur von 40,5 °C gewählt.
3.4 Statistische Methoden
Zur Auswertung der Ergebnisse wurden verschiedene statistische Verfahren verwendet. Hierzu
gehört zum einen das arithmetische Mittel, die Standardabweichung und der
Variationskoeffizient. Des Weiteren wurde eine Varianzanalyse durchgeführt um zu überprüfen
ob zwischen den Ergebnissen der einzelnen Proben signifikante Unterschiede vorliegen oder ob
die Unterschiede auf Messschwankungen zurückzuführen sind. Schließlich wurde ein Tukey-
Test durchgeführt.
Der von Tukey entwickelte Test gehört zu den sog. Post-Hoc-Tests und gehört somit zu den
Signifikanztests. Mit seiner Hilfe ist es möglich, signifikante Unterschiede zwischen
Gruppenmittelwerten zu bestimmen. Der Test berechnet den „Honest Significant Difference“
(deshalb auch Tukey HSD-Test genannt), also denjenigen Mittelwertsunterschied, der
mindestens erforderlich ist um auf dem Gesamt- -Niveau ein signifikantes Ergebnis zu erhalten.
Ist die tatsächliche Differenz zwischen zwei Gruppen größer als der durch den Tukey-Test
berechnete kritische Wert, so unterschieden sich die beiden Gruppen signifikant voneinander
(Naumann, 2009).
Für die Durchführung des Tests wurde das PC-Programm IBM® SPSS® Statistics 20 verwendet.
43
4 Ergebnisse und Diskussionen
4.1 Vorversuche
Zu Beginn der Arbeit wurden Vorversuche unter Verwendung von Kochsalz durchgeführt. Dazu
wurde Kochsalz mittels Stiftmühle zerkleinert und anschließend trocken bzw. in einem weiteren
Versuch nassklassiert. Schließlich wurde im Rahmen eines weiteren Versuches Kochsalz mit
Hilfe einer Planetenkugelmühle zerkleinert und anschließend trocken klassiert.
Die Ergebnisse sind in den Tabellen 6 und 7 und Abbildungen 18 bis 22 dargestellt.
Tabelle 6: d10-, d50-, d90-Wert, spez. Oberfläche und Span Stiftmühle und Kugelmühle trockenklassiert
Fraktion (μm)
Zerkleiner-ungstechnik
d10-Wert (μm)
VarK d50-Wert (μm)
VarK d90-Wert (μm)
VarK spez, Oberfläche [m2/cm3]
VarK Span VarK
< 45 Stiftmühle 5,39 1,54 24,69 1,05 55,49 0,41 0,48 1,28 2,03 0,79
Kugelmühle 4,63 1,30 19,22 3,72 44,09 0,36 0,56 2,29 2,05 3,51
45-63 Stiftmühle 31,95 0,65 59,40 0,18 89,70 0,12 0,22 0,67 0,97 0,39
Kugelmühle 6,10 3,70 38,00 2,38 79,07 0,62 0,40 3,03 1,92 2,04
63-125 Stiftmühle 40,58 2,33 86,47 1,25 153,88 0,87 0,13 0,45 1,31 0,90
Kugelmühle 34,84 0,46 77,31 0,42 138,80 0,18 0,12 0,84 1,35 0,32
125-250 Stiftmühle 95,38 0,41 183,30 0,23 315,92 0,25 0,06 0,34 1,20 0,08
Kugelmühle 22,79 0,49 148,97 1,51 271,53 1,49 0,11 0,53 1,67 0,33
> 250 Stiftmühle 221,47 0,61 378,40 0,71 637,71 0,48 0,02 0,30 1,1 0,37
Kugelmühle 231,46 2,41 387,97 0,30 645,76 1,93 0,02 1,13 1,1 4,20
44
Tabelle 7: d10-, d50-, d90-Wert, spez. Oberfläche und Span Stiftmühle nassklassiert
Fraktion (μm)
d10-Wert
VarK d50-Wert
VarK d90-Wert
VarK spez, Oberfläche [m2/cm3]
VarK Span VarK
< 45 4,55 1,39 28,29 3,48 62,27 2,28 0,51 1,76 2,04 1,13
45-63 14,43 46,13 65,49 2,12 113,15 1,18 0,22 4,92 1,51 7,44
63-125 50,06 1,46 99,84 0,63 174,89 0,55 0,08 1,18 1,25 0,42
125-250 105,95 1,63 183,63 1,08 301,56 0,94 0,04 2,24 1,07 0,53
> 250 212,85 0,23 365,29 0,55 617,57 0,47 0,02 0,29 1,11 0,27
Abbildung 18: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert < 45 μm
Stiftmühle trockenklassiert
Stiftmühle nassklassiert
Kugelmühle trockenklassiert
45
Abbildung 19: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert 45-63 μm
Stiftmühle trockenklassiert
Stiftmühle nassklassiert
Kugelmühle trockenklassiert
46
Abbildung 20: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert 63-125 μm
Stiftmühle trockenklassiert
Stiftmühle nassklassiert
Kugelmühle trockenklassiert
47
Abbildung 21: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert 125-250 μm
Stiftmühle trockenklassiert
Stiftmühle nassklassiert
Kugelmühle trockenklassiert
48
Abbildung 22: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert > 250 μm
Es ist zu erkennen, dass sich die beiden Proben die trockenklassiert wurden, in den Fraktionen
< 45 μm und 45-63 μm deutlich voneinander unterscheiden, jedoch ähneln sie sich in den
Fraktionen 63-125 μm, 125-250 μm und > 250 μm.
Bei den Ergebnissen der Nassklassierung fällt auf, dass die Partikelgrößen zugenommen haben.
Grund hierfür könnte darin liegen, dass die Strömungsenergie des durch die Siebe fließenden
Acetons so groß ist, dass sehr große oder sehr längliche Partikel die Siebe passieren können, was
bei der Trockenklassierung nicht möglich ist. Ein weiteres Problem der Nassklassierung ist, dass
die Proben zum Teil nach der Trocknung als feste Schicht auf dem Probengefäß zurückbleiben.
Dies ist für die anschließenden Bildanalyse problematisch, da die Proben nur unter zu
Stiftmühle trockenklassiert
Stiftmühle nassklassiert
Kugelmühle trockenklassiert
49
Hilfenahme eines Mörsers in Öl dispergiert werden konnten um die Probenpartikel zu
vereinzeln. Dies verändert jedoch die Partikelform und verfälscht somit die Ergebnisse.
Nach der Partikelgrößenbestimmung wurde die Formanalyse mittels Bildanalyse durchgeführt.
Diese wurden trocken unter Verwendung der SDU untersucht, da festgestellt wurde, dass bei der
Untersuchung mittels Nasszelle die Partikel von der Software sehr schlecht vom Hintergrund
unterschieden werden können. Bei der anschließenden Trockenvermessung wurde festgestellt,
dass die Probenaufgabe bei der Probe die mittels Stiftmühle hergestellt wurde zu guten
Ergebnissen führte. Bei der Probenaufgabe der Probe die mittels Kugelmühle hergestellt wurde
war dies nicht der Fall. Hierbei bildeten sich sehr viele Agglomerate, die eine aussagefähige
Untersuchung unmöglich machten. Auch durch das Dispergieren in Öl mit anschließender
Untersuchung mittels Nasszelle konnte dieses Problem nicht gelöst werden. Grund für die
Agglomeratbildung könnte die hohe Hygroskopie des Kochsalzes sein, jedoch ist zu bedenken,
dass es bei der Probe die mit Hilfe der Stiftmühle hergestellt wurde, nicht zu derartigen
Problemen kam. Aus diesem Grund kann die Vermutung geäußert werden, dass bei der
Zerkleinerung mittels Kugelmühle sehr zerklüftete Partikel entstehen, die sich ineinander
verhaken und somit Agglomerate bilden lassen. Auf Grund der genannten Probleme wurden die
Vorversuche unter Verwendung von Kochsalz beendet.
Als nächster Versuch wurde eine Probe Zucker mittels Stiftmühle zerkleinert und anschließend
nassklassiert. Da bei der Nassklassierung von Kochsalz auffiel, dass das Aceton schlecht über
die kleine Öffnung des Deckels nachdosiert werden konnte, wurden Analysensiebe mit einem
Durchmesser von 50 mm verwendet, somit konnte das Aceton über die komplette Siebfläche
aufgetragen werden. Nach der Destillation und Trocknung der Proben erfolgte die
Partikelgrößenbestimmung. Hierbei wurde jedoch nur die feinste Fraktion untersucht, da die
Fraktion 32-63 μm für eine Partikelgrößenbestimmung in einer nicht ausreichenden Menge
vorhanden war und die Fraktionen 63-125 μm und >125 μm auf Grund der großen Partikel nicht
mittels Nasszelle untersucht werden konnten, da sie sonst verunreinigt worden wäre. Für eine
Trockenmessung war jedoch keine ausreichende Probenmenge vorhanden. Die Ergebnisse sind
in Tabelle 8 und Abbildung 23 dargestellt. Als Vergleich wurde eine Zuckerprobe
trockenklassiert. Wie bei der Nassklassierung der Kochsalzprobe zeigt sich hier, dass die
Partikelgröße höher liegt als bei der Trockenklassierung. Aus diesem Grund wurde entschieden
die Zuckerproben aller weiteren Versuche trocken zu klassieren.
50
Tabelle 8: d10-, d50-, d90-Wert, spez. Oberfläche und Span Stiftmühle trocken- u. nassklassiert < 32 μm
Fraktion Klassierung d10-Wert
VarK d50-Wert
VarK d90-Wert
VarK spez, Oberfläche [m2/cm3]
VarK Span VarK
< 32 μm
trocken 4,63 1,17 18,78 0,58 42,82 0,14 0,56 0,96 2,03 0,59
< 32 μm
nass 6,86 12,49 35,32 5,54 74,24 5,44 0,40 4,79 1,91 1,38
Abbildung 23: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert < 32 μm
trockenklassiert
nassklassiert
51
4.2 Hauptversuche
4.2.1 Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung
Ziel der Hauptversuche war es, auf verschiedene Weise zerkleinerten Zucker in seine einzelnen
Fraktionen zu zerlegen und somit Proben zu erhalten, die in ihrer Partikelgrößenverteilung
einander ähneln. Dabei sollte eine Fraktion ausgewählt werden, die sich unter den einzelnen
Zerkleinerungstechniken am meisten ähneln. Anschließend sollten die Proben mit Hilfe von
verschiedenen Analysentechniken untersucht werden. Hierzu gehörten die
Laserbeugungspektrometrie, die Rheologie und die Bildanalyse. Alle Versuche wurden doppelt
durchgeführt um die Wiederholbarkeit der Ergebnisse zu überprüfen.
Für die Siebklassierung wurden große Analysensiebe mit einem Durchmesser von 200 mm
verwendet, um Proben in einer für die rheologischen Untersuchungen ausreichenden Menge zu
erhalten.
Bei den Ergebnissen der Laserbeugungsspektrometrie ist zu beachten, dass die Fraktionen < 45
μm und 45-63 μm mit Hilfe der Nasszelle untersucht wurden, da diese zum Teil in nur geringer
Menge vorlagen und somit eine Messung mit Hilfe der Trockenzelle nicht möglich war, da
hierfür eine größere Probenmenge nötig ist. Die restlichen Fraktionen wurden mit Hilfe der
Trockenzelle analysiert, da eine Analyse mit Hilfe der Nasszelle nicht möglich war, da die
Proben eine hohe Partikelgröße aufweisen und sie somit die Nasszelle verstopft hätten.
Nachstehend werden die Ergebnisse der Laserbeugungsspektrometrie aller Zerkleinerungs-
versuche aufgezeigt. Dabei ist zu beachten, dass die nachfolgenden Tabellen die
zusammengefassten Messergebnisse der Wiederholungen enthalten. Die Ergebnisse der
einzelnen Proben sind den Anhängen 1 bis 5 zu entnehmen. Dies gilt auch für die Ergebnisse der
Bildanalyse und der Rheologie, die den Anhängen 6 bis 12 zu entnehmen sind.
52
Tabelle 9: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion < 45 μm
x10 [μm]
VarK x50 [μm]
VarK x90 [μm]
VarK Span VarK spez. Oberfläche [m2/cm3]
VarK
Stiftmühle 4,983 1,890 23,862 1,411 55,557 0,992 2,119 0,633 0,496 1,528
Kugelmühle 3,839 3,015 17,469 1,793 47,638 1,651 2,507 0,645 0,652 2,213
Walzwerk 4,388 1,836 18,120 1,665 45,097 1,952 2,247 11,101 0,585 1,542
Scheibenmühle 3,468 2,790 21,780 3,031 50,302 1,543 2,151 1,539 0,659 2,10
Tabelle 10: Tukey-Test d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion < 45 μm
x10 [μm]
x50 [μm]
x90 [μm]
Span spez. Oberfläche [m2/cm3]
Stiftmühle D D D A A
Kugelmühle B A B B C
Walzwerk C B A A B
Scheibenmühle A C C A C
53
Abbildung 24: Partikelgrößenverteilung der Fraktion < 45 μm
Es ist deutlich zu erkennen, dass die Wiederholbarkeit bei dieser Fraktion sehr gut ist (siehe
Variationskoeffizient), jedoch weichen die Ergebnisse zwischen den Zerkleinerungstechniken
stark voneinander ab.
Die folgende Tabelle und Abbildung zeigen die Ergebnisse der Fraktion 45-63 μm.
Stiftmühle
Scheibenmühle
Kugelmühle
Walzwerk
54
Tabelle 11: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 45-63 μm
x10 [μm]
VarK x50 [μm]
VarK x90 [μm]
VarK Span VarK spez. Oberfläche [m2/cm3]
VarK
Stiftmühle 9,504 6,430 63,271 1,648 96,156 0,617 1,370 2,680 0,248 3,841
Kugelmühle 5,672 4,779 51,034 3,667 94,913 2,338 1,750 1,551 0,373 4,424
Walzwerk 6,296 4,914 44,084 5,616 88,495 2,921 1,868 3,274 0,360 5,207
Scheibenmühle 4,387 1,742 42,685 1,731 87,759 2,165 1,953 1,719 0,465 1,827
Tabelle 12: Tukey-Test d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 45-63 μm
x10 [μm]
x50 [μm]
x90 [μm]
Span spez. Oberfläche [m2/cm3]
Stiftmühle D C B A A
Kugelmühle B B B B B
Walzwerk C A A C B
Scheibenmühle A A A D C
55
Abbildung 25: Partikelgrößenverteilung der Fraktion 45-63 μm
Bei dieser Fraktion fällt auf, dass bei der Zerkleinerung mittels Kugelmühle und Walzwerk die
Wiederholbarkeit etwas schlechter ist als bei der Fraktion < 45 μm. Bei der Zerkleinerung
mittels Stift- und Scheibenmühle ist sie vergleichbar mit dieser. Bei der Betrachtung der
Abbildung 25 fällt auf, dass die Ergebnisse der Kugelmühle, des Walzwerkes und der
Scheibenmühle dicht beieinander liegen, jedoch die der Stiftmühle von diesen deutlich abweicht.
Die folgende Tabelle und Abbildung zeigen die Ergebnisse der Fraktion 63-125 μm.
Stiftmühle Probe 1 Stiftmühle Probe 2
Kugelmühle Probe 1
Kugelmühle Probe 2
Walzwerk Probe 1
Walzwerk Probe 2
Scheibenmühle Probe 1 u. 2
56
Tabelle 13: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 63-125 μm
x10 [μm]
VarK x50 [μm]
VarK x90 [μm]
VarK Span VarK spez. Oberfläche [m2/cm3]
VarK
Stiftmühle 19,517 6,225 78,539 0,648 147,526 0,373 1,630 1,484 0,175 3,237
Kugelmühle 10,434 13,731 69,728 5,550 141,712 2,840 1,886 3,703 0,268 9,703
Walzwerk 16,323 0,720 71,534 0,323 142,105 0,390 1,757 0,674 0,190 1,617
Scheibenmühle 9,673 10,130 71,664 6,672 149,542 2,454 1,956 4,651 0,305 5,674
Tabelle 14: Tukey-Test d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 63-125 μm
x10 [μm]
x50 [μm]
x90 [μm]
Span spez. Oberfläche [m2/cm3]
Stiftmühle C B B A A
Kugelmühle A A A C B
Walzwerk B A A B A
Scheibenmühle A A B C B
57
Abbildung 26: Partikelgrößenverteilung der Fraktion 63-125 μm
Bei dieser Fraktion ist die Wiederholbarkeit bei der Zerkleinerung mittels Stiftmühle und
Walzwerk sehr gut. Bei der Zerkleinerung mit Hilfe der Kugel- und der Scheibenmühle fällt
diese etwas geringer. Allgemein ist zu sagen, dass die Partikelgrößenverteilungen aller Proben
dicht beieinander liegen.
Die folgende Tabelle und Abbildung zeigen die Ergebnisse der Fraktion 125-250 μm.
Stiftmühle Probe 1 u. 2 Kugelmühle Probe 1
Walzwerk Probe 1 u. 2 Scheibenmühle Probe 1
Kugelmühle Probe 2 Scheibenmühle Probe 2
58
Tabelle 15: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 125-250 μm
x10 [μm]
VarK x50 [μm]
VarK x90 [μm]
VarK Span VarK spez, Ober-fläche [m2/cm3]
VarK
Stiftmühle 54,665 4,994 165,075 0,642 301,360 0,388 1,493 1,212 0,084 1,761
Kugelmühle 24,054 16,737 169,441 3,293 316,906 1,687 1,730 2,935 0,141 7,352
Walzwerk 33,710 3,078 135,868 1,381 254,672 1,629 1,627 0,445 0,111 1,554
Scheiben-mühle
31,203 10,443 179,144 1,549 328,561 0,701 1,663 1,905 0,143 4,641
Tabelle 16: Tukey-Test d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 125-250 μm
x10 [μm]
x50 [μm]
x90 [μm]
Span spez. Oberfläche [m2/cm3]
Stiftmühle C B B A A
Kugelmühle A B C C C
Walzwerk B A A B B
Scheibenmühle B C D B C
59
Abbildung 27: Partikelgrößenverteilung der Fraktion 125-250 μm
Die Abbildung 27 zeigt, dass die Wiederholbarkeit in der Partikelgrößenverteilung bei der
Stiftmühle, der Scheibenmühle und dem Walzwerk sehr gut ist und bei der Kugelmühle etwas
geringer ausfällt. Allgemein liegen die Partikelgrößenverteilungen der Versuche dicht
beieinander. Bei den x90-Werten liegen stärkere Abweichungen zwischen den
Zerkleinerungstechniken vor.
Die folgende Tabelle und Abbildung zeigen die Ergebnisse der Fraktion 250-500 μm. Hier ist zu
beachten, dass die Proben die mittels Walzwerk zerkleinert wurden nicht analysiert wurden, da
sie in nicht ausreichender Menge vorlagen.
Stiftmühle Probe 1 u. 2
Walzwerk Probe 1 u. 2
Scheibenmühle Probe 1
Kugelmühle Probe 1
Scheibenmühle Probe 2
Kugelmühle Probe 2
60
Tabelle 17: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 250-500 μm
x10 [μm]
VarK x50 [μm]
VarK x90 [μm]
VarK Span VarK spez, Oberfläche [m2/cm3]
VarK
Stiftmühle 152,505 0,945 334,788 0,516 588,878 1,547 1,303 1,012 0,034 1,535
Kugelmühle 191,183 5,389 409,578 1,759 704,110 2,067 1,181 4,560 0,023 23,713
Scheibenmühle 210,111 2,627 404,684 0,973 709,199 1,284 1,234 1,130 0,035 3,443
Tabelle 18: Tukey-Test d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 250-500 μm
x10 [μm]
x50 [μm]
x90 [μm]
Span spez. Oberfläche [m2/cm3]
Stiftmühle A A A C B Kugelmühle C B B A A Scheibenmühle B B B B B
61
Abbildung 28: Partikelgrößenverteilung der Fraktion 250-500 μm
Bei der Stiftmühle und der Scheibenmühle fällt die Wiederholbarkeit in Bezug auf die
Partikelgrößenverteilung sehr gut aus. Bei der Kugelmühle fällt sie geringer aus.
Die Partikelgrößenverteilungen zwischen den einzelnen Zerkleinerungstechniken liegen ähnlich
dicht beieinander wie die der Fraktion 125-250 μm, jedoch weichen die d90-Werte stärker
voneinander ab. Hier weichen die Stiftmühlenproben am stärksten ab.
Die Fraktion > 500 μm wurde nicht untersucht, da diese in nicht ausreichender Menge
vorhanden waren.
Bei Betrachtung aller Ergebnisse fällt auf, dass die Wiederholbarkeit bei annähernd allen
Fraktionen der Stiftmühle am besten ist. Der Beweis liegt in den Variationskoeffizienten, die bei
der Stiftmühle bei dem Großteil der Messergebnisse am niedrigsten liegen. Beim Walzwerk und
Stiftmühle Probe 1 u. 2
Kugelmühle Probe 1
Scheibenmühle Probe 1 u. 2 Kugelmühle Probe 2
62
der Scheibenmühle fällt sie etwas geringer aus, ist jedoch noch gut. Bei der Kugelmühle fällt sie
bezogen auf die anderen Zerkleinerungstechniken am geringsten aus.
Zusätzlich zur Partikelgrößenverteilung wurden die einzelnen Fraktionen ausgewogen und ihr
jeweiliger Anteil in Histogramme übertragen. Die Ergebnisse sind in den folgenden Abbildungen
dargestellt.
Abbildung 29: Histogramm Siebklassierung Stiftmühle
Abbildung 30: Histogramm Siebklassierung Kugelmühle
63
Abbildung 31: Histogramm Siebklassierung Walzwerk
Abbildung 32: Histogramm Siebklassierung Scheibenmühle Probe 1
Es ist zu erkennen, dass die Walzwerkzerkleinerung zu sehr feinen Partikeln führt und die
Scheibenmühlenzerkleinerung zu groben. Die Zerkleinerung mittels Stiftmühle führt zu einer
breiten und die mittels Kugelmühle zu einer schmalen Verteilung.
Mit Hilfe der Ergebnisse der Laserbeugungsspektrometrie wurde entschieden, die Fraktion 63-
125 μm für die Bildanalyse und die Analyse der Fließeigenschaften zu verwenden, da bei dieser
die Partikelgrößenverteilung der verschiedenen Zerkleinerungstechniken dicht beieinander lagen
64
und somit Unterschiede in den rheologischen Eigenschaften am ehesten auf die Unterschiede in
der Partikelform zurückzuführen waren.
4.2.2 Partikelanzahl
Im Rahmen der Bildanalyse wurden verschiedene SOPs angelegt. Grund hierfür ist, dass für die
verschiedenen Größenbereiche unterschiedliche Objektive verwendet wurden um eine möglichst
hohe Bildqualität zu erzeugen.
Für die Analyse der Fraktionen > 20 - μm und > 10 – 20 μm wurden 40.000 Partikel
gescannt. Bei den Fraktionen > 5 – 10 μm und 3 – 5 μm 20.000 Partikel. Der Bereich unter 3
μm wurde nicht analysiert, da diese Partikel so klein sind, dass die Bildqualität nicht ausreicht
um ein aussagekräftiges Ergebnis zu erzeugen. Nach der Messung wurden die Partikel die
außerhalb des jeweiligen Bereichs lagen automatisch aussortiert. Des Weiteren wurden Partikel
manuell aussortiert, deren Bildqualität für eine Analyse nicht ausreichend war. Da bei den
Fraktionen > 20 - μm und >10 – 20 μm die Ausschussrate sehr hoch war, reichte es nicht aus
20.000 Partikel zu scannen, wodurch eine Anzahl von 40.000 Partikel nötig war. Bei den
Fraktionen > 5 – 10 μm und 3 – 5 μm reichten 20.000 Partikel aus. Alle Proben wurden fünfmal
analysiert um eine statistische Sicherheit zu erlangen. Die Fraktion < 3 – 5 μm wurde lediglich
einmal untersucht, da die restlichen Fraktionen von größerer Bedeutung waren und somit mehr
Zeit zur Verfügung stand um sich auf diese zu konzentrieren. Aus diesem Grund war es bei den
Ergebnissen der Formparameter der Fraktion 3 – 5 μm nicht möglich den
Variationskoeffizienten zu berechnen.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die zur Analyse zur Verfügung stehende Partikelanzahl der
verschiedenen Zerkleinerungstechniken und Fraktionen.
65
Tabelle 19: Anzahl der für die Bildanalyse genutzten Partikel der verschiedenen Zerkleinerungstechniken und Fraktionen (Fraktion 63-125 μm)
Fraktion
Probe
> 20 - μm > 10 – 20 μm > 5 – 10 μm 3 – 5
μm
An-
zahl
VarK Tuk
ey
An-
zahl
VarK Tuk
ey
An-
zahl
VarK Tuk
ey
An-
zahl
Stiftmühle 860,6 3,464 A 724,8 14,209 B 1500,6 9,498 C 3327,5
Kugelmühle 951,9 8,268 A 895,3 23,687 C 1397,8 8,954 BC 3387,0
Walzwerk 1084,3 4,838 B 550,6 12,732 A 1018,8 18,317 A 3409,0
Scheibenmühle 1381,6 10,074 C 612,7 3,750 AB 1304,8 8,933 B 3486,5
Es fällt auf, dass bei allen Zerkleinerungstechniken die Fraktionen < 20 - μm und < 10 – 20
μm die geringste Anzahl von Partikeln aufweisen, obwohl hierbei die Anzahl der gescannten
Partikel am höchsten war. Grund hierfür ist die große Anzahl kleiner Partikel, die gescannt
wurden, jedoch nach der Messung entfernt wurde.
4.2.3 Ergebnisse der Bildanalyse
In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Formparameter der Bildanalyse dargestellt. Dazu
werden die Ergebnisse der verschiedenen Zerkleinerungstechniken der jeweiligen Fraktion
gegenüber gestellt.
Vorab ist zu sagen, dass bei der Bildanalyse versucht wurde den Kontrast der Proben zu
verstärken um eine bessere Bildqualität und somit bessere Messergebnisse zu erhalten. Dabei
wurde erst überlegt einen Farbstoff zu verwenden, jedoch hätte dieser nicht wasserlöslich sein
dürfen, da ansonsten die Zuckerpartikel aufgelöst worden wären. Lipophile Farbstoffe waren
jedoch an der Hochschule nicht in ausreichender Menge vorhanden, so dass überlegt wurde
Aktivkohlepulver zu verwenden. Da dieses jedoch selber aus Partikeln besteht, hätte dies die
Ergebnisse verfälscht. Im nächsten Schritt wurde die Überlegung getroffen das Licht des
Mikroskops mit Hilfe von Farbfiltern einzufärben. Dies wurde mit Hilfe von farbigen Folien
versucht, brachte jedoch nicht den erwünschten Erfolg. Aus diesem Grund wurden keine
weiteren Versuche unternommen den Kontrast zu verbessern.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Formparameter der Fraktion > 20 - μm.
66
Tabelle 20: Formwerte der Fraktion > 20 - μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken (Fraktion 63-125 μm)
Fraktion > 20 - μm
Konvexität VarK Tukey Elongation VarK Tukey Zirkularität VarK Tukey
Stiftmühle 0,971 0,140 A 0,484 0,719 C 0,887 0,173 B
Kugelmühle 0,977 0,096 C 0,466 1,602 B 0,897 0,151 C
Walzwerk 0,974 0,070 B 0,515 0,896 D 0,880 0,375 A
Scheiben-mühle
0,978 0,062 C 0,457 0,891 A 0,899 0,133 C
Die Zerkleinerung mittels Kugel- und Scheibenmühle führte zu den höchsten Konvexitätswerten
und somit besitzen diese Proben die glattesten Partikel. Auch wenn bei Betrachtung der
Ergebnisse der Eindruck entsteht, dass dieser Unterschied sehr gering ist, besagt der Tukey-Test,
dass sich diese Proben signifikant von denen der Stiftmühle und des Walzwerkes unterscheiden.
Der Unterschied bei den Elongationswerten zwischen den Zerkleinerungstechniken ist etwas
größer als bei der Konvexität. Das Walzwerk weist die höchsten Werte und somit die
länglichsten Partikel auf.
Die Scheibenmühle besitzt die höchsten Zirkularitätswerte und somit die rundesten Partikel.
Allgemein ist zu erkennen, dass die Variationskoeffizienten gering ausfallen was bedeutet, dass
die Wiederholbarkeit gut ausfällt.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Ergebnisse der Fraktion >10 – 20 μm.
Tabelle 21: Formwerte der Fraktion > 10 – 20 μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken (Fraktion 63-125 μm)
Fraktion
> 10 – 20 μm
Konvexität VarK Tukey Elongation VarK Tukey Zirkularität VarK Tukey
Stiftmühle 0,968 0,328 A 0,527 0,782 B 0,870 0,365 A
Kugelmühle 0,974 0,102 C 0,473 1,724 A 0,895 0,212 C
Walzwerk 0,971 0,229 B 0,537 0,687 C 0,874 0,541 B
Scheiben-mühle
0,976 0,140 C 0,465 2,311 A 0,904 0,349 D
Die Tabelle zeigt, dass auch bei diesem Größenbereich die Wiederholbarkeit der Konvexität sehr
gut ist. Auch hier besitzt die Scheibenmühle die höchsten Werte und erzeugt somit die glattesten
Partikel.
67
Wie bei der Fraktion > 20 - μm schwanken bei der Fraktion > 10 – 20 μm die
Elongationswerte etwas stärker als bei der Konvexität (siehe Variationskoeffizient), jedoch fällt
die Wiederholbarkeit immer noch gut aus. Auch hier weist das Walzwerk die höchsten Werte
und somit die länglichsten Partikel auf.
Die Wiederholbarkeit der Versuche bezüglich der Zirkularität fällt auch hier sehr gut aus. Die
Unterschiede zwischen den einzelnen Versuchen fallen etwas größer aus als bei dem vorherigen
Größenbereich. Auch hier besitzt die Scheibenmühle die höchsten Werte und somit die rundesten
Partikel.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Ergebnisse der Fraktion > 5 – 10 μm.
Tabelle 22: Formwerte der Fraktion > 5 – 10 μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken (Fraktion 63-125 μm)
Fraktion > 5 – 10 μm
Konvexität VarK Tukey Elongation VarK Tukey Zirkularität VarK Tukey
Stiftmühle 0,969 0,164 A 0,480 0,590 C 0,896 0,227 A
Kugelmühle 0,969 0,287 A 0,433 1,770 B 0,908 0,517 C
Walzwerk 0,972 0,239 A 0,505 6,463 C 0,889 1,330 B
Scheiben-mühle
0,969 0,293 A 0,404 1,773 A 0,915 0,372 D
Die Unterschiede bezüglich der Konvexität fallen sehr gering aus, alle Proben besitzen nahezu
den gleichen Wert. Die Varianzanalyse ergab, dass kein signifikanter Unterschied zwischen den
Proben vorliegt.
Die Unterschiede bei der Elongation fallen höher aus, wobei die Walzenzerkleinerung, wie bei
den beiden vorangegangenen Größenbereichen, zu den höchsten Werten und somit zu den
länglichsten Partikeln führt.
Bei der Betrachtung der Zirkularitätswerte fällt auf, dass die Unterschiede zwischen den
Zerkleinerungstechniken größer ausfallen als bei den Konvexitätswerten. Die höchsten Werte
weist auch hier die Zerkleinerung mit Hilfe der Scheibenmühle auf, wodurch sie zu den
rundesten Partikeln führt.
Abschließend zeigt die folgende Tabelle die Formwerte für die Fraktion > 5 – 10 μm.
68
Tabelle 23: Formwerte der Fraktion 3 – 5 μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken (Fraktion 63-125 μm)
Fraktion 3 – 5 μm Konvexität Elongation Zirkularität
Stiftmühle 0,882 0,419 0,829
Kugelmühle 0,884 0,384 0,835
Walzwerk 0,879 0,413 0,827
Scheibenmühle 0,884 0,360 0,838
Bei dieser Fraktion wurde während der Messung festgestellt, dass die Bildqualität sehr schlecht
war. Die Partikel erschienen verschwommen, was auch durch die Fokussierung nicht verbessert
werden konnte. Es scheint so, dass bei dieser Partikelgröße die Grenzen des Gerätes bzw. die der
optischen Bildanalyse erreicht sind.
Bei der Konvexität besitzen die Kugelmühle und die Scheibenmühle die höchsten Werte, was
bedeutet, dass hier die Partikel die glatteste Oberfläche besitzen.
Bei der Elongation besitzt die Stiftmühle die höchsten Werte und somit die länglichsten Partikel.
Bei den vorangegangenen Fraktionen war dies die Zerkleinerung mittels Walzwerk.
Bei den Zirkularitätswerten besitzt wie bei den vorangegangenen Fraktionen die
Scheibenmühlenzerkleinerung die höchsten Werte und somit die rundesten Partikel.
69
4.2.4 Ergebnisse der Rheologie
In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der rheologischen Analyse mittels Rotationsrheometer
dargestellt. Dazu werden die Fließgrenze und die Grenzviskosität nach Casson und Windhab der
verschiedenen Proben aufgezeigt und miteinander verglichen. Des Weiteren werden die
Fließkurven aller Proben dargestellt. Die Durchführung der Messung wurde bereits in Kapitel
3.10.3 beschrieben.
Tabelle 24: Fließgrenze und Grenzviskosität nach Casson und Windhab (Fraktion 63-125 μm)
Zerklein-erungs-technik
Fließ-grenze n. Casson [Pa]
VarK Tukey
Fließ-grenze n. Wind-hab [Pa]
VarK Tukey
Grenz-visko-sität n. Casson [Pa*s]
VarK Tukey
Grenz-visko-sität n. Wind-hab [Pa*s]
VarK Tukey
Stift-
mühle
1,367 13,008 A 2,507 14,744 A 4,071 2,040 C 4,660 0,832 B
Kugel-
mühle
4,720 11,190 C 7,471 8,716 C 3,206 1,766 B 4,218 0,686 A
Walz-
werk
2,395 2,562 B 4,073 2,900 B 4,924 4,549 D 5,736 4,138 C
Scheiben
-mühle
6,500 4,621 D 10,120 3,529 D 2,931 0,840 A 4,034 0,837 A
Tabelle 25: Schubspannungen bei Scherrate von 0,05 [s-1] (Fraktion 63-125 μm)
Zerkleinerungstechnik Schubspannung [Pa] VarK Tukey
Stiftmühle 3,080 9,774 A
Kugelmühle 8,42 6,508 C
Walzwerk 4,740 2,662 B
Scheibenmühle 11,200 2,160 D
Tabelle 26: Schubspannungen bei Scherrate von 5 [s-1] (Fraktion 63-125 μm)
Zerkleinerungstechnik Schubspannung [Pa] VarK Tukey
Stiftmühle 31,830 1,670 A
Kugelmühle 36,680 3,334 B
Walzwerk 3,693 D
Scheibenmühle 38,750 1,825 C
70
Tabelle 27: Schubspannungen bei Scherrate von 40 [s-1] (Fraktion 63-125 μm)
Zerkleinerungstechnik Schubspannung [Pa] VarK Tukey
Stiftmühle 198,93 0,892 C
Kugelmühle 186,970 0,929 B
Walzwerk 3,685 D
Scheibenmühle 183,75 0,933 A
Abbildung 33: Fließkurven (Fraktion 63-125 μm)
Bei Betrachtung der Tabelle 24 fällt auf, dass die Proben die mittels Stiftmühle zerkleinert
wurden, die niedrigste Fließgrenze aufweisen. Das ist damit zu erklären, dass die Fließgrenze vor
allem durch sehr feine Partikel beeinflusst wird. Da die Proben der Stiftmühle den niedrigsten
Gehalt an sehr feinen Partikeln enthalten (s. Tab. 13 u. Abb. 26), besitzen diese auch die
niedrigste Fließgrenze.
Es folgen die Proben des Walzwerkes. Auch dies deckt sich mit den Ergebnissen der
Laserbeugungsspektrometrie, da hier der Feingutanteil etwas höher liegt als bei den Proben der
Stiftmühle.
Es folgen die Kugelmühle und die Scheibenmühle, die die höchsten Fließgrenzwerte besitzen.
Somit sind sowohl bei der Kugelmühle als auch bei der Scheibenmühle die Werte für die
Fließgrenze mit dem Feingutanteil zu erklären, der laut Analyse bei diesen beiden
Zerkleinerungstechniken am höchsten liegt. Theoretisch hätte der Feingutanteil bei allen Proben
71
annähernd gleich sein müssen, da es sich immer um die gleiche Fraktion handelte, jedoch zeigen
die Ergebnisse der Laserbeugungsspektrometrie (s. Tab. 13 u. Abb. 26), dass der Feingutanteil
zwischen den Zerkleinerungstechniken schwankt, was verfahrenstechnisch unvermeidbar ist.
Die Grenzviskosität liegt bei der Scheibenmühle am niedrigsten. Grund hierfür sind sicherlich
zum einen der d90-Wert, der mit 149,542 μm am höchsten liegt, jedoch liegt dieser bei der
Stiftmühle mit einem Wert von 147,526 μm in einem vergleichbaren Bereich. Hier liegt aber die
Grenzviskosität um 1,14 Pa*s höher als bei den Proben der Scheibenmühle. Die Erklärung
könnte in der Partikelform zu suchen sein. So liegen die Konvexitätswerte der Scheibenmühle
am höchsten, was bedeutet, dass diese Partikel am glattesten sind. Des Weiteren liegen auch die
Zirkularitätswerte am höchsten was bedeutet, dass diese Proben am rundesten sind. Somit sind
bei diesen Proben die Kontaktflächen am geringsten, was die Reibung senkt und dadurch auch
die Grenzviskosität. Schließlich liegen die Elongationswerte bei den Proben der Scheibenmühle
niedriger als bei der Stiftmühle. Somit besitzen sie ein ausgeglicheneres Längen-
Breitenverhältnis, was die Grenzviskosität vermutlich positiv beeinflusst.
Die Proben mit den zweitniedrigsten Grenzviskositätswerten sind die der. Die Erklärung hierfür
liegt sicherlich zum einen in der Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung. So liegen die
d90-Werte dieser Proben mit 141,712 μm (Tab. 13) etwas höher als bei denen der
Scheibenmühle. Zum anderen liegen die Konvexitäts- und Zirkularitätswerte dieser Proben etwas
niedriger als bei denen der Scheibenmühle (Tab. 20 – 23). Somit sind diese Partikel etwas rauer
und nicht so rund.
Es folgt der Grenzviskositätswert der Stiftmühle. Wie bereits beschrieben sind die d90-Werte
dieser Proben mit die höchsten aller Proben (Tab. 13). Somit kann die Vermutung geäußert
werden, dass der Grund in der Partikelform zu suchen ist. Jedoch fällt bei der Betrachtung der
Ergebnisse der Bildanalyse (Tab. 20 – 23) auf, dass bei allen Fraktionen die Konvexitäts- und
Zirkularitätswerte des Walzwerkes höher sind als bei denen der Stiftmühle. Aus diesem Grund
müssten die Proben des Walzwerkes theoretisch niedrigere Grenzviskositätswerte aufweisen, da
hier die Partikel eine glattere Oberfläche und eine rundere Form besitzen. Jedoch liegt der
Zirkularitätswert der Fraktion < 20- μm (Tab. 20) bei der Stiftmühle höher als bei dem
Walzwerk. Somit sind die Partikel etwas runder, was die Reibung herabsetzt. Da diese Partikel
sehr groß sind und somit auch ihr Einfluss, könnte es möglich sein, dass die höheren
Konvexitäts- und Zirkularitätswerte der Walzwerkproben wieder ausgeglichen werden.
Somit bildet das Walzwerk bei der Grenzviskosität das Schlusslicht. Bei Betrachtung der
Formparameter fällt auf, dass bei den Größenbereichen < 20 - μm und <10-20 μm (Tab. 20 –
21) die Elongationswerte die höchsten aller Proben sind und somit die Partikel am länglichsten
72
sind. Das wäre damit zu erklären, dass die Zuckerkristalle während der Zerkleinerung zwischen
den Walzen zusammengedrückt werden. Wie bereits in Kapitel 2.4.3 erwähnt, hat Windhab
(2004) herausgefunden, dass ein Anteil von 10-15 % faserförmiger Partikel die Viskosität
herabsetzt. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass mit steigendem Anteil die Viskosität wieder
ansteigt, was bei diesen Proben der Fall sein könnte. Des Weiteren ist zu beachten, dass die
Partikel der Walzenzerkleinerung höchstwahrscheinlich nicht faserförmig, sondern
plättchenförmig sind. Inwieweit dies einen Unterschied macht wäre zu überprüfen.
In den folgenden Abbildungen wird der Zusammenhang zwischen Formparameter und
Grenzviskosität grafisch dargestellt. Dabei wurde auf die Formparameter der größten Partikel
zurückgegriffen, da ihr Einfluss am stärksten ist. Um ein bestmögliches Ergebnis zu erhalten,
wurden die einzelnen Messergebnisse der Wiederholungen verwendet und nicht die Mittelwerte
der Wiederholungen.
Abbildung 34: Abhängigkeit der Grenzviskosität von der Konvexität (Fraktion 63-125 μm)
Es ist linearer Zusammenhang zwischen Grenzviskosität und Konvexität zu erkennen. Die
Regressionsgerade zeigt, dass mir steigender Konvexität die Grenzviskosität sinkt. Der Grund
liegt darin, dass die Partikel glatter sind und sich somit weniger schnell ineinander verhaken. Des
Weiteren wird weniger Fett gebunden. Diese beiden Aspekte beeinflussen die Grenzviskosität
positiv. Zur genaueren Interpretation der Ergebnisse wurde der Korrelationskoeffizient
berechnet, der hierbei bei -0,644 liegt und somit einer mittleren Korrelation entspricht.
Die folgende Abbildung zeigt den Zusammenhang zwischen Grenzviskosität und Elongation.
73
Abbildung 35: Abhängigkeit der Grenzviskosität von der Elongation (Fraktion 63-125 μm)
Auch hier ist der Zusammenhang zwischen Grenzviskosität und Formparameter zu erkennen.
Mit steigender Elongation und dem damit verbundenen Abfall des Breiten-Längen-
Verhältnisses, steigt die Grenzviskosität. Der Korrelationskoeffizient liegt hier bei 0,964 und
entspricht somit einer sehr starken Korrelation.
Abbildung 36: Abhängigkeit der Grenzviskosität von der Zirkularität (Fraktion 63-125 μm)
Auch hier die Abhängigkeit der Grenzviskosität von dem Formparameter deutlich zu erkennen.
Somit sinkt mit steigender Zirkularität und somit steigender Rundheit, die Grenzviskosität. Der
Korrelationskoeffizient liegt bei -0,988 und entspricht auch hier einer sehr starken Korrelation.
74
4.3 Diskussion und Schlussfolgerung
Ziel dieser Projektarbeit war es, den Einfluss der Partikelform auf die Fließeigenschaften von
Suspensionen zu untersuchen. Dies in Augenmerk auf Schokolade, da zwar der Einfluss der
Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung auf die Fließeigenschaften durch vielzählige
Arbeiten beleuchtet wurde, jedoch nicht der Einfluss der Partikelform.
Bei den Versuchen zeigte sich, dass entgegen allen Erwartungen eine Nassklassierung zu einer
breiteren Partikelgrößenverteilung führt als die Trockenklassierung. Dies ist
höchstwahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass durch das Aceton und die Rüttelbewegung
des Siebturmes größere oder längliche Partikel die Siebmaschen passieren können, die dies bei
einer Trockenklassierung nicht können.
Im Rahmen der anschließenden Versuche, unter Verwendung von Zucker, wiederholte sich
dieses Phänomen. Bei der Siebklassierung und der anschließenden Partikelgrößenbestimmung
mittels Laserbeugungsspektrometer im Rahmen der Hauptversuche zeigte sich, dass die Fraktion
63-125 μm sich bei Wiederholungen am konstantesten verhielt und die
Partikelgrößenverteilungen der verschiedenen Versuche am dichtesten beieinander lagen (Tab.
13 u. Abb. 26).
Die anschließende Analyse der Fließeigenschaften per Rotationsrheometer zeigte, dass sich
Sonnenblumenöl zur Herstellung der Suspension nicht eignet, da das Messgerät eine
Fehlermeldung anzeigte. Der Grund liegt in der hohen Partikelgröße, wodurch sich besonders bei
niedrigen Scherraten die Partikel absetzen und somit eine Analyse unmöglich machen. Das
anschließende Ersetzen des Sonnenblumenöls durch hochviskoses Silikonöl zeigte, dass das
Problem gelöst werden konnte. Hierbei können sich die Partikel nicht so schnell absetzen,
wodurch die Analyse möglich wird.
Die Ergebnisse der Analyse (Tab. 24) zeigten, dass die Proben der Stiftmühle die niedrigste
Fließgrenze aufwiesen. Der Grund hierfür liegt in dem geringen Feingutanteil. Theoretisch hätte
der Feingutanteil bei allen Proben annähernd gleich sein müssen, jedoch sind wie die Ergebnisse
zeigten Unterschiede hierbei verfahrenstechnisch unvermeidbar.
Nach den Proben der Stiftmühle folgen die des Walzwerkes, der Kugelmühle und der
Scheibenmühle, was mit dem steigenden Feingutanteil zu erklären ist (Tab. 13 u. Abb. 26).
Bei der Grenzviskosität wies die Scheibenmühle die niedrigsten Werte auf (Tab. 24). Grund
hierfür liegt zum einen darin, dass bei diesen Proben der d90-Wert am höchsten ist. Ein weiterer
Grund könnte jedoch in der Partikelform zu suchen sein. Bei diesen Proben liegen nämlich die
Konvexitätswerte am höchsten (Tab. 20 - 23), was bedeutet, dass die Partikel die glatteste
75
Oberfläche besitzen, wodurch sie sich weniger schnell einander verhaken und sie weniger Fett
immobilisieren. Des Weiteren weisen diese Proben die höchsten Zirkularitätswerte auf (Tab. 20-
23), was bedeutet, dass sie am rundesten sind. Somit sind die Kontaktflächen gering, was die
Reibung und somit die Grenzviskosität senkt.
Nach den Proben der Scheibenmühle folgen die der Kugelmühle. Auch hier liegt die Erklärung
sicherlich zum einen in der Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung, da hier die d90-
Werte etwas höher liegen als bei der Scheibenmühle (Tab. 13 u. Abb. 26). Zum anderen kann die
Erklärung in der Partikelform gesucht werden, da hier die Konvexitäts- und Zirkularitätswerte
etwas niedriger liegen als bei den Proben der Scheibenmühle (s. Tab. 20 - 23). Somit sind diese
Partikel etwas rauer und die Rundheit ist etwas geringer, was einen negativen Einfluss auf die
Grenzviskosität nehmen kann.
Nach den Ergebnissen der Kugelmühle folgen die der Stiftmühle. Es wäre zu vermuten gewesen,
dass diese Proben auf Grund der hohen d90-Werte (Tab. 13) bessere Grenzviskositätswerte
besitzen. Somit kann die Vermutung geäußert werden, dass der Grund in der Partikelform zu
suchen ist. Hier sind die Konvexitäts- und Zirkularitätswerte bei fast allen Größenbereichen am
niedrigsten (Tab. 20 - 23) was bedeutet, dass die Partikel am rauesten sind und die Rundheit am
geringsten ist. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die höchsten Grenzviskositätswerte die Proben
des Walzwerkes (Tab. 24) besitzen, obwohl die Konvexitäts- und Zirkularitätswerte hier höher
liegen als bei der Stiftmühle (Tab. 20 - 23). Die Erklärung könnte darin liegen, dass bei dem
Größenbereich < 20- μm bei der Stiftmühle die Zirkularitätswerte höher liegen (Tab. 20), als
bei den Proben des Walzwerkes. Da diese Partikel sehr groß sind und somit auch ihr Einfluss,
könnte die Möglichkeit bestehen, dass die höheren Konvexitäts- und Zirkularitätswerte der
Walzwerkproben in den anderen Größenbereichen wieder ausgeglichen werden. Des Weiteren ist
zu beachten, dass bei den beiden größten Größenbereichen die Elongationswerte des
Walzwerkes am höchsten liegen (Tab. 20 - 23), was bedeutet, dass diese Partikel länglicher sind,
was bei einem hohen Volumenanteil in der Probe die rheologischen Eigenschaften negativ
beeinflussen könnte. Diese Theorie müsste jedoch im Rahmen weiterer Projektarbeiten überprüft
werden. Somit konnte der positive Einfluss länglicher Partikel wie von Windhab (2004)
beschrieben nicht bestätigt werden. Der Grund hierfür könnte darin liegen, dass der Anteil
länglicher Partikel zu hoch ist. Windhab beschrieb, dass ein zu hoher Anteil einen negativen
Einfluss nimmt. Weiter besteht die Möglichkeit, dass die Partikel im Mittel länglicher sind als
die der anderen Proben, jedoch der Anteil der Partikel mit ausreichend hohem Elongationswert
zu gering ist, wodurch sich die Partikel nicht so schnell im Strömungsfeld ausrichten, wie es
Windhab beschrieb. Schließlich wäre zu überprüfen, in wie weit sich der Einfluss von
76
stäbchenförmigen und plättchenförmigen Partikeln unterscheidet, da bei der Zerkleinerung
mittels Walzwerk vermutlich plättchenförmige Partikel entstehen.
An Hand der Ergebnisse gibt es Hinweise, dass hohe Zirkularitäts- und Konvexitätswerte und
somit sehr runde und glatte Partikel einen positiven Einfluss auf die Grenzviskosität nehmen.
Im Rahmen dieser Projektarbeit war es möglich die Grundidee zu verwirklichen ein
Teilchenkollektiv sowohl auf die Partikelgrößenverteilung, die Formparameter und die
rheologischen Eigenschaften zu untersuchen. Somit konnten dank ähnlicher
Partikelgrößenverteilung erstmals verschiedene Zerkleinerungstechniken und somit ihr Einfluss
auf die rheologischen Eigenschaften direkt miteinander verglichen werden. Des Weiteren
konnten die Erfahrungen auf dem Gebiet der Bildanalyse erweitert werden. Da diese jedoch
allgemein bis dato noch nicht umfangreich sind, kann nicht geäußert werden, ob die
Unterschiede der Formparameter zwischen den Zerkleinerungstechniken groß oder klein sind.
Somit ist es sinnvoll im Rahmen weiterer Projektarbeiten andere Rohstoffpartikel, z.B. Kakao
oder Milchtrockenprodukte, zu untersuchen um zu überprüfen, ob hierbei größere Unterschiede
zwischen verschiedenen Zerkleinerungstechniken bestehen.
77
5 Zusammenfassung
Mit Hilfe dieser Projektarbeit sollte der Einfluss der Partikelform auf die rheologischen
Eigenschaften von Suspensionen ermittelt werden, in Anlehnung an Schokolade.
Als zu analysierender Rohstoff wurde im Rahmen der Vorversuche Kochsalz verwendet, da
dieses auf Grund seiner Eigenschaften einfach in der Handhabung ist. Nachdem diese
abgeschlossen waren und somit Erfahrungen bei der Siebklassierung und der Bildanalyse
gesammelt waren, wurde mit den Hauptversuchen unter Verwendung von Zucker begonnen. Als
Zerkleinerungsmaschinen wurden eine Stiftmühle, eine Kugelmühle, ein Walzwerk und eine
Scheibenmühle ausgewählt. Nach der Zerkleinerung wurden die Proben siebklassiert um
ähnliche Partikelgrößenverteilungen zu erhalten. Dies ist erforderlich, da sie die rheologischen
Eigenschaften maßgeblich beeinflusst. Bei Vorhandensein ähnlicher Partikelgrößenverteilungen
können Unterschiede in den rheologischen Eigenschaften auf die Partikelform zurückgeführt
werden. Es zeigte sich, dass die Partikelgrößenverteilungen einzelner Fraktionen zwischen den
verschiedenen Zerkleinerungstechniken sehr unterschiedlich ausfielen. Die Fraktion 63-125 μm
wies gute Voraussetzungen für eine Analyse auf, da die Partikelgrößenverteilungen zwischen
den Zerkleinerungstechniken dicht beieinander lagen. Anschließend wurden die rheologischen
Eigenschaften ermittelt. Als Suspensionsmittel wurde Silikonöl verwendet, da bei der
Verwendung von Sonnenblumenöl auffiel, dass auf Grund der hohen Partikelgröße sich die
Partikel schnell absetzten und es somit zu einer Fehlermeldung der Software kam. Dieses
Problem konnte durch die hohe Viskosität des Silikonöls behoben werden, da hierbei die Partikel
sich während der Messung nicht absetzten.
Es zeigte sich, dass die Proben der Stiftmühle die niedrigste Fließgrenze aufwiesen. Der Grund
hierfür liegt in dem geringen Feingutanteil. Theoretisch hätte der Feingutanteil bei allen Proben
annähernd gleich sein müssen, jedoch sind wie die Ergebnisse zeigten Unterschiede hierbei
verfahrenstechnisch unvermeidbar. Es folgen die Fließgrenzwerte des Walzwerkes, der
Kugelmühle und der Scheibenmühle, was mit dem steigenden Feingutanteil zu erklären ist.
Bei der Grenzviskosität wiesen die Proben der Scheibenmühle die niedrigsten Werte auf. Die
Erklärung liegt zum einen sicherlich in der größeren Partikelgröße, da bei diesen Proben der d90-
Wert am höchsten lag. Zum anderen lagen hier die Konvexitäts- und die Zirkularitätswerte am
höchsten, was bedeutet, dass die Partikel am glattesten und am rundesten sind, was einen
positiven Einfluss auf die Grenzviskosität nehmen kann.
Die zweitniedrigsten Grenzviskositätswerte zeigten die Proben der Kugelmühle was sicherlich
unter anderem auf die Partikelgröße zurückzuführen ist, die bei diesen Proben etwas höher liegt
78
als bei denen der Scheibenmühle. Jedoch wiesen diese Proben die zweitniedrigsten Konvexitäts-
und Zirkularitätswerte auf, was dafür spricht, dass nicht nur die Partikelgröße sondern auch
Partikelform Einfluss genommen hat. Nach den Werten der Kugelmühle folgen die der
Stiftmühle. Es wäre zu vermuten gewesen, dass diese Proben auf Grund der hohen d90-Werte
(Tab. 13) bessere Grenzviskositätswerte besitzen. Somit ist der Grund höchstwahrscheinlich in
der Partikelform zu suchen. Die Konvexitäts- und Zirkularitätswerte dieser Proben sind bei fast
allen Größenbereichen am niedrigsten (Tab. 20 - 23) was bedeutet, dass die Partikel am rauesten
sind und die Rundheit am geringsten ist. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die höchsten
Grenzviskositätswerte die Proben des Walzwerkes (Tab. 24) besitzen, obwohl die Konvexitäts-
und Zirkularitätswerte hier höher liegen als bei der Stiftmühle (Tab. 20 - 23). Die Erklärung
könnte darin liegen, dass bei dem Größenbereich < 20- μm bei der Stiftmühle die
Zirkularitätswerte höher liegen (Tab. 20), als bei den Proben des Walzwerkes. Da diese Partikel
sehr groß sind und somit auch ihr Einfluss, könnte es möglich sein, dass die höheren
Konvexitäts- und Zirkularitätswerte der Walzwerkproben in den anderen Größenbereichen
wieder ausgeglichen werden. Des Weiteren ist zu beachten, dass bei den beiden größten
Größenbereichen die Elongationswerte des Walzwerkes am höchsten liegen (Tab. 20 - 21), was
bedeutet, dass diese Partikel länglicher sind, was bei einem hohen Volumenanteil in der Probe
die rheologischen Eigenschaften negativ beeinflussen könnte. Somit kann der positive Einfluss
länglicher Partikel auf die Grenzviskosität, wie ihn Windhab (2004) beschrieb nicht bewiesen
werden. Der Grund hierfür könnte darin liegen, dass der Anteil länglicher Partikel zu hoch ist,
was laut Windhab einen negativen Einfluss nimmt. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass
die Partikel im Mittel etwas länglicher sind als die der anderen Proben, dass jedoch der Anteil
der Partikel die eine ausreichend große Länge besitzen zu gering ist. Schließlich ist zu beachten,
dass die Aussagen von Windhab sich auf stäbchenförmige Partikel beziehen, wohingegen bei der
Zekleinerung mittels Walzwerk plättchenförmige entstehen. In wie weit dies einen Unterschied
macht wäre in weiteren Projektarbeiten zu überprüfen.
An Hand der Ergebnisse gibt es Hinweise, dass hohe Zirkularitäts- und Konvexitätswerte und
somit sehr runde und glatte Partikel einen positiven Einfluss auf die Grenzviskosität nehmen.
Die Analyse der Korrelation zwischen Formparameter und Grenzviskosität bestätigte diesen
Sachverhalt.
Somit war es mit Hilfe dieser Projektarbeit möglich Teilchenkollektive auf ihre
Partikelgrößenverteilung, ihre Formparameter und ihre rheologischen Eigenschaften zu
untersuchen.
79
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82
Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: schematischer Aufbau eines Fünfwalzwerkes (Beckett, 2008) ............................................................... 8
Abbildung 2: Rührwerkskugelmühle der Firma Lipp ................................................................................................... 9
Abbildung 3: Schematische Darstellung einer Doppel-Überschlag-Conche im Querschnitt (Beckett, 2008) ............ 10
Abbildung 4: schematischer Aufbau einer Q-Choc-Linie (van der Schaaf, 2012) ...................................................... 11
Abbildung 5: uni-, bi- und trimodale Partikelgrößenverteilung (Beckett, 2008) ........................................................ 13
Abbildung 6: zwei Partikelproben mit gleicher Partikelgrößenverteilung und unterschiedlicher Partikelform
(Crompton, 2005) ................................................................................................................................. 14
Abbildung 7: Stiftmühle ZM1000 der Firma Retsch .................................................................................................. 19
Abbildung 8: Wirkprinzip einer Planetenkugelmühle (Fritsch, 2012) ........................................................................ 20
Abbildung 9: Schematische Darstellung eines Labor-Dreiwalzwerks ........................................................................ 21
Abbildung 10: Scheibenmühle MKCA6-3 der Firma Masuko Sangyo ...................................................................... 22
Abbildung 11: schematische Darstellung eines Laserbeugungsspektrometers (Wozniak, 2003) ............................... 24
Abbildung 12: Nasszelle des Gerätes Morphologi G3 im Querschnitt ....................................................................... 26
Abbildung 13: Umwandlung eines dreidimensionalen Partikels in ein zweidimensionales Bild (Malvern, 2008) .... 27
Abbildung 14: verschiedene Partikelfomen und die dazugehörigen Zirkularitätswerte .............................................. 29
Abbildung 15: um ein Partikel gewickeltes elastisches Band (Malvern, 2008) .......................................................... 30
Abbildung 16: verschiedene Partikelformen und die dazugehörigen Konvexitätswerte ............................................. 30
Abbildung 17: verschiedene Partikelformen und die dazugehörigen Elongationswerte ............................................. 31
Abbildung 18: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert < 45 μm ........................................... 44
Abbildung 19: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert 45-63 μm ......................................... 45
Abbildung 20: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert 63-125 μm ....................................... 46
Abbildung 21: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert 125-250 μm ..................................... 47
Abbildung 22: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert > 250 μm ......................................... 48
Abbildung 23: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert < 32 μm .............................................................................. 50
Abbildung 24: Partikelgrößenverteilung der Fraktion < 45 μm .................................................................................. 53
Abbildung 25: Partikelgrößenverteilung der Fraktion 45-63 μm ................................................................................ 55
Abbildung 26: Partikelgrößenverteilung der Fraktion 63-125 μm .............................................................................. 57
Abbildung 27: Partikelgrößenverteilung der Fraktion 125-250 μm ............................................................................ 59
Abbildung 28: Partikelgrößenverteilung der Fraktion 250-500 μm ............................................................................ 61
Abbildung 29: Histogramm Siebklassierung Stiftmühle ............................................................................................. 62
Abbildung 30: Histogramm Siebklassierung Kugelmühle .......................................................................................... 62
Abbildung 31: Histogramm Siebklassierung Walzwerk ............................................................................................. 63
Abbildung 32: Histogramm Siebklassierung Scheibenmühle Probe 1 ........................................................................ 63
Abbildung 33: Fließkurven (Fraktion 63-125 μm)...................................................................................................... 70
Abbildung 34: Abhängigkeit der Grenzviskosität von der Konvexität (Fraktion 63-125 μm) ................................... 72
Abbildung 35: Abhängigkeit der Grenzviskosität von der Elongation (Fraktion 63-125 μm) .................................... 73
Abbildung 36: Abhängigkeit der Grenzviskosität von der Zirkularität (Fraktion 63-125 μm) ................................... 73
83
Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Einstellung der verschiedenen Zerkleinerungsmaschinen der Hauptversuche ........................................... 17
Tabelle 2: verwendeten Rohstoffe und deren Lieferanten .......................................................................................... 18
Tabelle 3: Übersicht der Parameter für die Bestimmung der Formeigenschaften (Malvern, 2008) ............................ 32
Tabelle 4: Einstellungen der verwendeten SOP .......................................................................................................... 38
Tabelle 5: Messprofil des Rotationsrheometers (Koppe, 2012) .................................................................................. 40
Tabelle 6: d10-, d50-, d90-Wert, spez. Oberfläche und Span Stiftmühle und Kugelmühle trockenklassiert .............. 43
Tabelle 7: d10-, d50-, d90-Wert, spez. Oberfläche und Span Stiftmühle nassklassiert .............................................. 44
Tabelle 8: d10-, d50-, d90-Wert, spez. Oberfläche und Span Stiftmühle trocken- u. nassklassiert < 32 μm .............. 50
Tabelle 9: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion < 45 μm .................................................. 52
Tabelle 10: Tukey-Test d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion < 45 μm ............................. 52
Tabelle 11: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 45-63 μm .............................................. 54
Tabelle 12: Tukey-Test d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 45-63 μm ........................... 54
Tabelle 13: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 63-125 μm ............................................ 56
Tabelle 14: Tukey-Test d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 63-125 μm ......................... 56
Tabelle 15: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 125-250 μm .......................................... 58
Tabelle 16: Tukey-Test d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 125-250 μm ....................... 58
Tabelle 17: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 250-500 μm .......................................... 60
Tabelle 18: Tukey-Test d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 250-500 μm ....................... 60
Tabelle 19: Anzahl der für die Bildanalyse genutzten Partikel der verschiedenen Zerkleinerungstechniken und
Fraktionen (Fraktion 63-125 μm) ............................................................................................................ 65
Tabelle 20: Formwerte der Fraktion > 20 - μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken
(Fraktion 63-125 μm) .............................................................................................................................. 66
Tabelle 21: Formwerte der Fraktion > 10 – 20 μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken ............................... 66
Tabelle 22: Formwerte der Fraktion > 5 – 10 μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken
(Fraktion 63-125 μm) .............................................................................................................................. 67
Tabelle 23: Formwerte der Fraktion 3 – 5 μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken (Fraktion 63-125 μm) .. 68
Tabelle 24: Fließgrenze und Grenzviskosität nach Casson und Windhab (Fraktion 63-125 μm) ............................... 69
Tabelle 25: Schubspannungen bei Scherrate von 0,05 [s-1] (Fraktion 63-125 μm) ..................................................... 69
Tabelle 26: Schubspannungen bei Scherrate von 5 [s-1] (Fraktion 63-125 μm) .......................................................... 69
Tabelle 27: Schubspannungen bei Scherrate von 40 [s-1] (Fraktion 63-125 μm) ........................................................ 70
84
Formelverzeichnis Formel 1: Strukturformel Polydimethylsiloxan (Wacker, 2012) ................................................................................. 18
Formel 2: Zirkularität .................................................................................................................................................. 28
Formel 3: Flächeninhalt eines Kreises ........................................................................................................................ 28
Formel 4: Durchmesser eines Kreises ......................................................................................................................... 28
Formel 5: Formel 4 in 3 eingesetzt ............................................................................................................................. 28
Formel 6: nach UK umgestellte Formel 5 .................................................................................................................... 28
Formel 7: Formel 6 in Formel 2 eingesetzt ................................................................................................................. 28
Formel 8: HS-Zirkularität ........................................................................................................................................... 29
Formel 9: Konvexität .................................................................................................................................................. 30
Formel 10: Elongation ................................................................................................................................................ 31
Formel 11: Schubspannung nach Casson .................................................................................................................... 41
Formel 12: Schubspannung nach Windhab ................................................................................................................. 41
85
Anhangsverzeichnis Anhang 1: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion < 45 μm mit Variationskoeffizient
und Tukey-Test ......................................................................................................................................... 86
Anhang 2: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 45-63 μm mit Variationskoeffizient
und Tukey-Test ......................................................................................................................................... 87
Anhang 3: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 63-125 μm mit Variationskoeffizient
und Tukey-Test ......................................................................................................................................... 88
Anhang 4: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 125-250 μm mit Variationskoeffizient
und Tukey-Test ......................................................................................................................................... 89
Anhang 5: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 250-500 μm mit Variationskoeffizient
und Tukey-Test ......................................................................................................................................... 90
Anhang 6: Anzahl der für die Bildanalyse genutzten Partikel der verschiedenen Zerkleinerungstechniken und
Fraktionen mit Variationskoeffizient und Tukey-Test .............................................................................. 91
Anhang 7: Formwerte der Fraktion < 20 - μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken mit
Variationskoeffizient und Tukey-Test ....................................................................................................... 91
Anhang 8: Formwerte der Fraktion < 10 – 20 μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken mit
Variationskoeffizient und Tukey-Test ....................................................................................................... 92
Anhang 9: Formwerte der Fraktion < 5 – 10 μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken mit
Variationskoeffizient und Tukey-Test ....................................................................................................... 92
Anhang 10: Fließgrenze und Grenzviskosität nach Casson und Windhab mit Variationskoeffizient ......................... 93
Anhang 11: Schubspannungen bei konstanten Scherraten mit Variationskoeffizient und Tukey-Test ....................... 94
Anhang 12: Fließkurven aller Proben (Fraktion 63-125 μm) ...................................................................................... 95
86
Anhang
Anhang 1: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion < 45 μm mit Variationskoeffizient und Tukey-Test
Scheiben-m
ühle Probe 2
Scheiben-m
ühle Probe 1
Walzw
erk Probe 2
Walzw
erk Probe 1
Kugel-
mühle
Probe 2
Kugel-
mühle
Probe 1
Stiftmühle
Probe 2
Stiftmühle
Probe 1
3,436
3,494
4,384
4,389
3,799
3,868
4,993
4,969
x10
0,683
3,791
1,338
2,368
3,481
2,413
2,499
1,197
VarK
A
A
C
C
B
B
D
D
Tukey
21,724
21,842
18,058
18,176
17,365
17,601
23,853
23,867
x50
4,096
1,824
1,201
2,091
1,767
1,529
1,568
1,385
VarK
AB
AB
A
AB
A
A
B
AB
Tukey
50,101
50,518
45,270
44,291
47,276
48,042
55,616
55,491
x90
1,754
1,315
1,946
2,054
1,847
0,767
0,859
1,183
VarK
C
C
A
A
B
B
D
D
Tukey
2,148
2,153
2,264
2,230
2,504
2,510
2,122
2,117
Span
2,172
0,697
0,871
0,146
0,151
0,926
0,890
0,213
VarK
A
A
B
B
C
C
A
A
Tukey
0,662
0,655
0,586
0,584
0,656
0,648
0,496
0,496
Spez. O
ber-fläche
1,602
2,549
1,146
1,974
2,491
1,760
1,921
1,200
VarK
C
C
B
B
C
C
A
A
Tukey
87
Anhang 2: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 45-63 μm mit Variationskoeffizient und Tukey-Test
Scheiben-m
ühle Probe 2
Scheiben-m
ühle Probe 1
Walzw
erk Probe 2
Walzw
erk Probe 1
Kugel-
mühle
Probe 2
Kugel-
mühle
Probe 1
Stiftmühle
Probe 2
Stiftmühle
Probe 1
4,452
4,323
6,007
6,583
5,373
5,897
9,809
9,144
x10
0,443
1,164
1,344
1,033
2,647
2,528
6,833
3,136
VarK
A
A
C
D
B
C F E
Tukey
43,388
41,982
41,757
46,394
48,972
52,608
63,592
63,012
x50
0,219
0,163
1,937
0,141
2,270
2,013
2,323
0,347
VarK
B
AB
B
C
D
E F F
Tukey
88,875
86,584
86,429
90,576
92,501
96,884
95,517
96,708
x90
2,395
0,358
2,163
1,001
1,067
0,987
0,151
0,138
VarK
B
A
A
BC
C
D
D
D
Tukey
1,946
1,959
1,926
1,810
1,779
1,730
1,348
1,390
Span
2,451
0,532
0,338
1,019
1,297
1,156
3,259
0,779
VarK
D
D
D
C
C
B
A
A
Tukey
0,458
0,472
0,377
0,342
0,391
0,359
0,243
0,253
Spez. O
ber-fläche
0,658
0,962
1,427
0,814
2,716
2,746
4,508
1,665
VarK
F G
D
B E C
A
A
Tukey
88
Anhang 3: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 63-125 μm mit Variationskoeffizient und Tukey-Test
Scheiben-m
ühle Probe 2
Scheiben-m
ühle Probe 1
Walzw
erk Probe 2
Walzw
erk Probe 1
Kugel-
mühle
Probe 2
Kugel-
mühle
Probe 1
Stiftmühle
Probe 2
Stiftmühle
Probe 1
8,813
10,530
16,343
16,303
9,112
11,424
19,363
19,479
x10
3,370
3,459
0,527
0,987
5,281
4,141
9,000
3,979
VarK
A
AB
C
C
A
B
D
D
Tukey
67,748
75,592
71,698
71,369
65,960
72,480
78,623
78,457
x50
2,149
2,019
0,201
0,248
1,022
1,725
0,712
0,714
VarK
A
C
B
B
A
B
D
D
Tukey
146,300
152,788
141,760
142,449
138,761
144,529
147,811
147,246
x90
0,849
0,481
0,164
0,419
1,626
0,766
0,178
0,454
VarK
CD
E
AB
B
A
BC
D
CD
Tukey
2,029
1,882
1,749
1,768
1,966
1,836
1,634
1,628
Span
2,661
2,057
0,119
0,631
0,585
1,268
2,073
1,080
VarK
E
D
B
BC
E
CD
A
A
Tukey
0,32
0,29
0,188
0,193
0,29
0,25
0,175
0,174
Spez. O
ber-fläche
1,775
1,792
0,532
1,306
4,522
2,206
4,281
2,660
VarK
E
D
AB
B
D
C
AB
A
Tukey
89
Anhang 4: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 125-250 μm mit Variationskoeffizient und Tukey-Test
Scheiben-m
ühle Probe 2
Scheiben-m
ühle Probe 1
Walzw
erk Probe 2
Walzw
erk Probe 1
Kugel-
mühle
Probe 2
Kugel-
mühle
Probe 1
Stiftmühle
Probe 2
Stiftmühle
Probe 1
29,634
32,462
34,527
32,869
21,554
26,459
55,699
53,642
x10
12,674
7,924
0,653
2,396
4,146
15,371
5,448
4,655
VarK
BC
BC
C
BC
A
AB
D
D
Tukey
176,784
181,514
137,852
133,886
164,488
174,231
165,703
164,451
x50
0,813
0,334
0,304
0,351
0,303
1,794
0,603
0,482
VarK
D
E B
A
C
D
C
C
Tukey
326,566
330,563
258,430
250,916
311,937
321,563
301,953
300,765
x90
0,333
0,061
0,317
0,053
0,339
0,842
0,403
0,308
VarK
F G
B
A
D
E C
C
Tukey
1,680
1,642
1,624
1,629
1,765
1,694
1,486
1,503
Span
1,884
1,175
0,094
0,657
0,429
2,313
1,351
1,132
VarK
BC
BC
E E
D
C
A
A
Tukey
0,145
0,141
0,109
0,112
0,147
0,133
0,083
0,084
Spez. O
ber-fläche
5,716
3,546
0,526
1,546
2,756
7,172
2,103
1,615
VarK
C
C
B
B
C
C
A
A
Tukey
90
Anhang 5: d10-, d50-, d90-Wert, Span und spez. Oberfläche der Fraktion 250-500 μm mit Variationskoeffizient und Tukey-Test
Scheiben-m
ühle Probe 2
Scheiben-m
ühle Probe 1
Kugel-
mühle
Probe 2
Kugel-
mühle
Probe 1
Stiftmühle
Probe 2
Stiftmühle
Probe 1
214,765
205,467
211,421
229,509
152,862
152,137
x10
0,860
1,340
2,329
0,235
0,843
1,170
VarK
A
A
A
A
B
B
Tukey
409,683
399,685
409,825
409,219
332,823
336,711
x50
0,292
0,548
2,135
0,410
0,596
1,363
VarK
A
A
A
A
B
B
Tukey
715,488
702,930
715,676
692,730
582,857
594,862
x90
0,280
0,302
1,587
0,572
0,623
1,557
VarK
A
A
A
A
B
C
Tukey
1,222
1,245
1,230
1,132
1,292
1,315
Span
0,412
0,747
0,870
0,442
0,337
0,419
VarK
B
C
BC
A
D
E
Tukey
0,034
0,036
0,028
0,018
0,034
0,034
Spez. O
ber-fläche
4,488
1,127
1,060
0,317
1,530
1,811
VarK
C
C
B
A
C
C
Tukey
91
Anhang 6: Anzahl der für die Bildanalyse genutzten Partikel der verschiedenen Zerkleinerungstechniken und Fraktionen mit Variationskoeffizient und Tukey-Test
Probe
< 20 - μm < 10 – 20 μm < 5 – 10 μm < 3 – 5
μm
Anzahl VarK Tukey Anzahl VarK Tukey Anzahl VarK Tukey Anzahl
Stiftmühle Probe 1
870,2 2,65 A 806 7,17 D 1486,4 11,37 C 2967
Stiftmühle Probe 2
851 4,14 A 643,6 9,87 BC 1514,8 8,51 C 3688
Kugelmühle Probe 1
1024,6 2,35 B 1091,8 5,89 E 1384 10,81 BC 3180
Kugelmühle Probe 2
879,2 1,35 A 698,8 3,26 C 1411,6 7,88 BC 3594
Walzwerk Probe 1
1103,8 5,95 C 613,8 2,31 BC 1186,8 5,49 B 3572
Walzwerk Probe 2
1064,8 2,86 BC 487,4 6,06 A 850,8 7,00 A 3246
Scheiben- mühle Probe 1
1255 3,03 D 607,6 4,15 B 1268,4 3,48 BC 3460
Scheiben- mühle Probe 2
1508,2 3,02 E 617,8 3,57 BC 1341,2 11,86 BC 3513
Anhang 7: Formwerte der Fraktion < 20 - μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken mit Variationskoeffizient und Tukey-Test
Fraktion < 20 –
μm
Konvexität VarK Tukey Elongation VarK Tukey Zirkularität VarK Tukey
Stift- mühle Probe 1
0,970 0,091 A 0,484 0,850 C 0,886 0,121 C
Stift- mühle Probe 2
0,972 0,040 A 0,483 0,618 C 0,888 0,056 D
Kugel- mühle Probe 1
0,977 0,043 C 0,461 0,753 AB 0,896 0,092 E
Kugel- mühle Probe 2
0,978 0,057 D 0,470 1,808 B 0,898 0,150 E
Walzwerk Probe 1
0,974 0,045 B 0,512 0,683 D 0,877 0,085 A
Walzwerk Probe 2
0,974 0,051 B 0,518 0,580 D 0,883 0,109 B
Scheiben- mühle Probe 1
0,977 0,044 CD 0,454 0,617 A 0,898 0,052 E
Scheiben- mühle Probe 2
0,978 0,043 D 0,460 0,673 A 0,900 0,081 F
Fraktion
92
Anhang 8: Formwerte der Fraktion < 10 – 20 μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken mit Variationskoeffizient und Tukey-Test
Fraktion < 10 – 20 μm
Konvexität VarK Tukey Elongation VarK Tukey Zirkularität VarK Tukey
Stift- mühle Probe 1
0,970 0,280 B 0,529 0,776 D 0,872 0,283 B
Stift- mühle Probe 2
0,966 0,266 A 0,526 0,726 D 0,868 0,275 A
Kugel- mühle Probe 1
0,974 0,123 C 0,466 0,421 B 0,896 0,148 D
Kugel- mühle Probe 2
0,973 0,057 C 0,480 0,795 C 0,893 0,115 D
Walzwerk Probe 1
0,970 0,095 B 0,539 0,226 E 0,870 0,093 AB
Walzwerk Probe 2
0,973 0,236 BC 0,536 0,935 E 0,878 0,258 C
Scheiben- mühle Probe 1
0,975 0,110 C 0,474 0,455 C 0,901 0,197 E
Scheiben- mühle Probe 2
0,976 0,164 C 0,455 0,667 A 0,906 0,193 F
Anhang 9: Formwerte der Fraktion < 5 – 10 μm der verschiedenen Zerkleinerungstechniken mit Variationskoeffizient und Tukey-Test
Fraktion < 5 – 10 μm
Konvexität VarK Tukey Elongation VarK Tukey Zirkularität VarK Tukey
Stift- mühle Probe 1
0,968 0,148 AB 0,482 0,377 F 0,896 0,200 A
Stift- mühle Probe 2
0,970 0,120 AB 0,479 0,599 EF 0,900 0,275 A
Kugel- mühle Probe 1
0,971 0,259 AB 0,426 0,604 C 0,912 0,259 C
Kugel- mühle Probe 2
0,970 0,262 AB 0,440 0,719 D 0,904 0,354 B
Walzwerk Probe 1
0,971 0,193 AB 0,475 0,603 E 0,900 0,216 AB
Walzwerk Probe 2
0,972 0,168 B 0,478 0,775 EF 0,904 0,255 B
Scheiben- mühle Probe 1
0,970 0,174 AB 0,409 0,860 B 0,915 0,193 C
Scheiben- mühle Probe 2
0,968 0,372 A 0,398 1,331 A 0,915 0,523 C
93
Anhang 10: Fließgrenze und Grenzviskosität nach Casson und Windhab mit Variationskoeffizient und Tukey-Test
Zerklein-erungs-technik
Fließ-grenze n. Casson [Pa]
Var K
Tuk-ey
Fließ-grenze n. Windhab [Pa]
Var K
Tuk -ey
Grenz-visko-sität n. Casson [Pa * s]
Var K
Tuk-ey
Grenz-visko- sität n. Windhab [Pa * s]
VarK Tuk -ey
Stift- mühle Probe 1
1,417 12,280 A 2,552 13,441 A 4,085 2,026 C 4,679 0,777 C
Stift- mühle Probe 2
1,318 15,451 A 2,462 18,960 A 4,058 2,443 C 4,640 0,771 C
Kugel- mühle Probe 1
4,30 5,838 C 6,940 4,301 C 3,253 0,478 B 4,236 0,548 B
Kugel- mühle Probe 2
5,135 6,657 D 8,001 4,446 D 3,158 1,015 B 4,199 0,537 B
Walz-werk Probe 1
2,416 2,964 B 4,101 2,419 B 5,119 1,523 E 5,939 1,496 E
Walz-werk Probe 2
2,374 2,289 B 4,044 3,716 B 4,730 1,564 D 5,533 1,720 D
Scheiben-mühle Probe 1
6,608 4,784 E 10,278 3,243 E 2,913 0,177 A 4,028 0,424 A
Scheiben-mühle Probe 2
6,391 4,700 E 9,962 3,663 E 2,950 0,750 A 4,040 1,229 A
94
Anhang 11: Schubspannungen bei konstanten Scherraten mit Variationskoeffizient und Tukey-Test
Zerkleinerungstechnik Scherrate [s-1] Schubspannung [Pa] VarK Tukey
Stiftmühle Probe 1 0,05 3,19 9,357 B
5 32,20 1,302 B
40 199,77 0,728 D
Stiftmühle Probe 2 0,05 2,97 8,971 A
5 31,47 1,105 A
40 198,10 0,852 C
Kugelmühle Probe 1 0,05 7,91 2,204 D
5 35,81 2,285 C
40 186,67 0,937 B
Kugelmühle Probe 2 0,05 8,92 2,492 E
5 37,55 2,411 D
40 187,27 0,908 B
Walzwerk Probe 1 0,05 4,77 2,057 C
5 43,24 0,922 G
40 257,50 1,144 F
Walzwerk Probe 2 0,05 4,71 3,076 C
5 40,24 0,421 F
40 239,93 0,674 E
Scheibenmühle Probe 1 0,05 11,29 1,699 G
5 38,83 1,626 E
40 183,50 0,683 A
Scheibenmühle Probe 2 0,05 38,66 2,009 F
5 38,66 2,009 E
40 184,00 1,124 A
95
Anhang 12: Fließkurven aller Proben (Fraktion 63-125 μm)
96
Eidesstaatliche Erklärung
Ich erkläre hiermit an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig und ohne
Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe. Die aus
fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenen Gedanken habe ich als
solche kenntlich gemacht.
Unterschrift des Verfassers:
Thorsten Wenker Ort, Datum
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