Glossar

Verformungsverhalten von Feststoffen

Feststoffe können in harte, mittelharte und weiche oder in spröde und plastische bzw. duktile Materialien eingeteilt werden. Jedoch ist die Betrachtung von elastischen, plastischen und viskosen Materialeigenschaften sinnvoller. Danach lassen sich die drei Grenzfälle elastisches, elastisch-plastisches und elastisch-viskoses Verformungsverhalten unterscheiden.

Elastisches Verformungsverhalten

Elastisches Verformungsverhalten bedeutet, dass nach der Entlastung keine Formänderung zurückbleibt. D.h., bei ideal elastischem Verformungsverhalten wird die zugeführte Energie komplett zurückgewonnen. Der Vorgang der Verformung ist also reversibel.

Theoretisch ist die Elastizität unabhängig von der Dehngeschwindigkeit. Beanspruchungsgeschwindigkeit und Temperatur haben keinen oder vernachlässigbaren Einfluss auf das Verformungsverhalten elastischer Partikeln.

Ein Material wird als spröde bezeichnet, wenn es sich bis zum Bruch überwiegend elastisch verformt.

Stress-strain graph illustrating brittle and rubber-elastic material behavior with labeled break and deformation points in German.

Elastisch-plastisches Verformungsverhalten

Im Wesentlichen verformen sich elastisch-plastische Materialien zunächst linear elastisch. Nach Erreichen eines Fließkriteriums verformen sie sich nur noch plastisch ohne weitere Erhöhung der Spannungen. Das Fließkriterium ist von der Temperatur abhängig, von der Beanspruchungsgeschwindigkeit jedoch unabhängig.

Mit zunehmender Temperatur setzt das Fließen früher ein. Unterhalb einer bestimmten Temperatur führt eine weitere Verringerung der Temperatur zu einer Versprödung des Materials, d.h. das Fließkriterium wird unterdrückt. Elastisch-plastische Stoffe können auch nach ausgedehnten Fließvorgängen (z.B. Mehrfachbeanspruchungen wie sie in Rührwerkskugelmühlen realisiert werden können) verspröden. Dieser Effekt wird als Kaltversprödung bezeichnet.

Hysteresis loop graph showing stress (σ) versus strain (ε) with labeled area indicating "verlorene Arbeit" or lost work.

Typische Vertreter dieser Stoffgruppe sind Metalle. Ihre Zerkleinerung kann durch Temperaturabsenkung verbessert werden. Praktikabler ist jedoch die Mehrfachbeanspruchung, die ebenfalls zur Kaltversprödung führt; dies kann z.B. in Kugelmühlen oder im Bereich feinster Partikeln in Rührwerkskugelmühlen realisiert werden.

Elastisch-viskoses Verformungsverhalten

Bei elastisch-viskosem Stoffverhalten ist der viskose Verformungsanteil in ausgeprägtem Maß von der Dehngeschwindigkeit und der Temperatur abhängig. Viskose Feststoffe lassen sich daran erkennen, dass die Spannung bei fixierter Verformung nachlässt oder dass sich das Material auch bei konstanter Belastung plastisch verformt. Typische Vertreter dieser Stoffklasse sind Kunststoffe.

Graph comparing stress-strain behavior showing effects of decreasing temperature with increasing speed and increasing temperature with decreasing speed.

Die Zielstellung eines Zerkleinerungsprozesses kann sehr unterschiedlich sein. In einigen Fällen soll sogar ein Partikelbruch vollständig vermieden werden, um die die Produkteigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Im Fokus dieser Betrachtung steht die Partikelform bzw. die Sphärizität.

Illustration of particle shape changes caused by processes like delamination, breaking, and defibrillation with an arrow indicating increasing sphericity.

Das Ziel eines Zerkleinerungsprozesses kann ein Defibrillieren sein, d.h. ein Entwirren und Vereinzeln von Fasern, ohne dabei die originale Länge dieser zu verkürzen. Typische Beispiele hier sind z.B. CNTs (Carbon Nano Tubes) oder Zellulosefasern.

Von Delaminierung spricht man, wenn plättchenförmige Partikeln vereinzelt werden ohne dabei ihr Aspektverhältnis zu verändern. Ein möglichst großes Aspektverhältnis, d.h. eine möglichst große Flächenausdehnung bei gleichzeitig sehr geringer Dicke der Partikeln kann unter anderem bei Füllstoffen, die eine Barrierewirkung erzielen sollen oder bei leitfähigen Beschichtungen von großer Bedeutung sein.

In speziellen Fällen ist die Zielstellung eines Zerkleinerungsprozesses aber auch eine gezielte Verrundung, d.h. Steigerung der Sphärizität der Partikeln durch Abbrechen oder Abreiben von oberflächlichen Auswüchsen oder Rauigkeiten.

Wird ein solcher Prozess dann beispielweise zusätzlich mit einem Klassierprozess kombiniert, ist nicht nur eine gezielte Veränderung der Partikelform, sondern gleichzeitig eine Begrenzung des Oberkorns und somit eine Veränderung der Partikelgrößenverteilung, hin zu einem monomodalen Produktsystem möglich. Weiterhin ist es möglich, durch eine nachgeschaltet Sichtung das Produkt zu entstauben und die Partikelgrößenverteilung in ihrer Breite zu begrenzen.