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

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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

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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.

9

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.

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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

17

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