Siebprozesse der Siebanalyse

Mit Siebanalytik (bzw. Siebanalyse oder Analysensiebung) wird ein Verfahren zur Ermittlung der Korngrößenverteilung von diversen Schüttgütern bezeichnet, dass in einer Vielzahl internationaler Normen beschrieben wird. Siebanalysen gehören zu den wohl etabliertesten Verfahren in der Qualitätssicherung und können sowohl als Trockensiebung als auch Nasssiebung durchgeführt werden.

Auch Handsiebungen sind möglich, aufgrund der individuellen Einflüsse des Ausübenden (Geschwindigkeit, Kraft) jedoch im professionellen Kontext zu vernachlässigen.

Durch Siebanalysen lassen sich Korngrößenverteilungen von Schüttgütern unterschiedlicher Formen und Größen charakterisieren. Und so spezifische Produkteigenschaften wie Lösungsverhalten, Fließverhalten und die Reaktionsfähigkeit unterschiedlicher Materialien bestimmen und vergleichen.

Siebungsprinzipien im Überblick

Wurfsiebung

Bei der Wurfsiebung wird das Siebgut durch die Vibration des Siebbodens hochgeschleudert und fällt dann durch die Erdanziehung wieder auf das Siebgewebe zurück. Die Amplitude gibt die vertikale Schwingungsweite des Siebbodens an. Bei der Wurfsiebung der RETSCH-Siebmaschinen wird das Siebgut einer dreidimensionalen Bewegung ausgesetzt, d. h. der vertikalen Wurfbewegung wird eine Drehbewegung überlagert.

Das Probengut wird demzufolge gleichmäßig über die gesamte Fläche des Siebbodens verteilt, wobei die Partikel eine Beschleunigung in vertikaler Richtung erfahren, freie Drehungen durchführen können und so beim Zurückfallen statistisch orientiert mit den Maschenweiten verglichen werden.

Plansiebung 

Bei einer Plansiebung handelt es sich um eine horizontale, kreisende Bewegung in einer Ebene. Plansiebmaschinen werden vorzugsweise für Partikel eingesetzt, die erheblich von einer sphärischen Geometrie abweichen, wie z. B. für nadel-, plättchenförmige, längliche oder faserige Siebgüter. Die planare Siebbewegung sorgt dafür, dass die Partikel größtenteils ihre Orientierung auf dem Sieb beibehalten.

Klopfsiebung

Bei der Klopfsiebung überlagert sich eine horizontale, kreisende Bewegung mit einer vertikalen, durch einen Klopfimpuls ausgelösten. Klopfsiebmaschinen sind in einer Reihe von Normen vorgeschrieben. Die Anzahl der Vergleiche mit den Siebmaschen sind bei Klopfsiebmaschinen deutlich geringer als bei Wurfsiebmaschinen (2,5 s-1 im Vergleich zu ~50 s-1), weshalb die Aussiebzeiten länger sind. Auf der anderen Seite bekommen die Partikel beim Klopfvorgang einen größeren Impuls, deshalb erhält man z. B. bei Schleifmitteln eine höhere Aussiebung. Bei leichten Partikeln, wie Talkum oder Mehl, erreicht eine Klopfsiebmaschine eine im Feinanteil geringere Aussiebung.

Luftstrahlsiebung

Das Luftstrahlsiebgerät ist eine Siebmaschine mit Einzelsiebung. Das heißt, es wird pro Siebvorgang nur jeweils ein einziges Sieb verwendet. Bei dieser Siebmaschine wird das Sieb selbst nicht bewegt. Die Siebgutbewegung wird durch einen rotierenden Luftstrahl erzielt: Ein angeschlossener Industriestaubsauger erzeugt einen Unterdruck in der Siebkammer und saugt Umgebungsluft durch eine rotierende Schlitzdüse an. Der so erzeugte Luftstrom tritt mit hoher Geschwindigkeit aus der rotierenden Schlitzdüse aus und dispergiert von unten durch das Siebgewebe das aufliegende Siebgut. Oberhalb des Gewebes verteilt sich der Luftstrahl über die gesamte Sieboberfläche und wird mit niedriger Geschwindigkeit durch das Siebgewebe abgezogen. Das Feingut wird dabei durch die Maschen transportiert und mit einem Staubsauger abgesaugt. Optional kann das Feingut in einem Zyklon aufgefangen werden.

Bei der Luftstrahlsiebung wird nur jeweils ein einzelnes Sieb verwendet, welches selber während des Siebvorganges nicht bewegt wird. Durch eine rotierende Düse unterhalb des Siebes wird ein Luftstrom auf das Siebgut gelenkt, wodurch Partikel desagglomerieren und danach durch das Sieb gesaugt werden können. Die Luftstrahlsiebung eignet sich für Größenbereiche von 10 µm – 4 mm.

Trockensiebung

Die Trockensiebung ist die populärste Methode der reproduzierbaren Siebanalytik, hierzu zählt die Vibrations-, Horizontal- und Tap-Siebung. Auch die Luftstrahlsiebung zählt zur Trockensiebung, stellt jedoch ein spezielles Verfahren dar, s.u. Die Probe wird im Vorfeld gegebenenfalls getrocknet, um Verklumpungen zu vermeiden. Vor der Siebung wird sie gewogen, anschließend in das Siebsystem gebracht und zu einem späteren Zeitpunkt erneut gewogen.

Beim sogenannten Siebschnitt wird mit einem Sieb bestimmt, wie viel Prozent der Probe noch auf dem Sieb verbleiben beziehungsweise kleiner als die gewählte Maschenweite sind. Soll eine Partikelgrößenbestimmung der verschiedenen Fraktionen durchgeführt werden (Satzsiebung), wird ein Siebturm verwendet, der mehrere Siebe mit unterschiedlichen Maschengrößen (40 µm – 125 mm) enthält.

Damit die Reproduzierbarkeit aber auch zweifelsfrei gewährleistet wird, sollte die Maschine komplett digital eingestellt werden. Weiterhin sollte die integrierte Regeleinheit ständig kontrolliert werden, um unbeabsichtigte Veränderungen und Abweichungen schon während des Tests zu vermeiden.

Nasssiebung

Die Nasssiebung dient zur Bestimmung der Partikelgrößen in feuchten, fettigen oder öligen Proben. Auch wenn das zu analysierende Gut bereits als Suspension vorliegt und nicht getrocknet werden darf, ist die Naßsiebung das Mittel der Wahl, ebenso bei zu Agglomeration neigenden Partikeln (meist < 45 µm), welche die Sieböffnungen sonst verstopfen würden.

Das zu Siebgut wird aufgeschlämmt und wie bei der Trockensiebung auf das oberste Sieb aufgebracht und dann unter Vibration mit Wasser ausgespült, bis die unterhalb des Siebturmes austretende Flüssigkeit ungetrübt ist. Die Nasssiebung wird im Bereich 20 µm - 20 mm durchgeführt

Korngrößenanalyse

Die formelle Größe einzelner Partikel wird in einem Gemenge als "Korngröße" bezeichnet, wobei die Korngrößenanalyse dazu dient, eben diese Größe zu ermitteln. Die spätere Größenverteilung der Partikel hat maßgeblichen Einfluss auf die Eigenschaften eines Materials, sowohl im wissenschaftlichen als auch im technischen Bereich.

Aufgrund zahlreicher Differenzierungen und sogar unterschiedlichen Methoden zur Ermittlung, wird die Analyse der Korngrößen zur eigenständigen Disziplin der Granulometrie gezählt.

Methoden der Korngrößenanalyse

Obwohl verschiedene Methoden zur Analyse und Ermittlung der Korngrößen existieren, wird bei allen Varianten immer der Äquivalentdurchmesser bestimmt. Welche Methode letztlich genutzt wird, hängt stark von der Fragestellung, möglichen Vorschriften und dem Korngrößenbereich selber ab.

Größere Partikel, ab einer Größe von ungefähr 40 mm, werden üblicherweise per Hand oder anhand von Fotos ausgemessen, während für die Korngrößenanalyse bei sehr kleinen Partikeln, bis zu einer Größe von 10 μm, häufig die Siebung genutzt wird.

Bei der Siebung werden zunächst unterschiedlich feine Siebe aufeinander gestapelt und in eine Siebmaschine gespannt. Anschließend wird die Probe in das oberste Sieb (mit der größten Lochweite) gegeben und für eine gewisse Zeit einer definierten Siebbewegung ausgesetzt, um eine präzise Siebung zu garantieren.

Die Partikel der Probe werden dabei entsprechend ihrer Größe auf den Sieben aufgetrennt. Danach erfolgt die prozentuale Bestimmung der einzelnen Fraktionen, die auf den Sieben mit unterschiedlichen Lochweiten verblieben sind. Die prozentualen Massenanteile der Einzelfraktionen werden als p3 bezeichnet. Die Verteilungssummen-Kurve Q3 gibt Auskunft über die aufaddierten Massen der Einzelfraktionen. Gängig ist eine Angabe über die Größe, die kleiner 90%, 50% und 10% der Probe sind.

SIEBANALYSE ZUR QUALITÄTKONTROLLE

Der Begriff „Qualität“ wird im alltäglichen Sprachgebrauch in der Regel mit der Hochwertigkeit eines Produktes in Verbindung gebracht. Eine genauere Definition dieses Ausdrucks liefert nachfolgender Satz: „Unter Qualität versteht man die Übereinstimmung von bestimmten Forderungen an ein Produkt mit den durch Kontrolle festgestellten Eigenschaften des Produktes.

Das bedeutet, dass es sich um ein qualitativ hochwertiges Produkt handelt, wenn die gewünschten Produkteigenschaften bei einer nachfolgenden Kontrollmessung innerhalb vorgegebener Toleranzbereiche liegen. Weichen die Messergebnisse des Produktes jedoch von den geforderten Werten ab, dann ist seine Qualität nicht einwandfrei. Eine große Anzahl der in Natur und Technik vorkommenden Materialien liegen in disperser Form vor (Materie, die kein einheitliches Ganzes bildet, sondern in Elemente zerteilt ist, die voneinander abgrenzbar sind, z. B. ein Haufwerk aus Sand). Die Partikelgrößenverteilung innerhalb einer Materialmenge, also die Mengenanteile von Partikeln unterschiedlicher Größe, haben dabei einen maßgeblichen Einfluss auf wichtige physikalische und chemische Eigenschaften

So werden beispielsweise folgende Produkteigenschaften von der Partikelgröße bzw. der Partikelgrößenverteilung beeinflusst:

• die Festigkeit von Beton
• der Geschmack von Schokolade
• das Lösungsverhalten von Tabletten
• die Rieselfähigkeit und das Lösungsverhalten von Waschpulvern
• die Oberflächenaktivität bei Filtermaterialien

Obige Beispiele machen deutlich, wie wichtig die Kenntnis der Kornverteilung im Rahmen der Qualitätssicherung von Schüttgütern in der Produktion ist. Verändert sich während des Produktionsprozesses die Kornverteilung, so verändert sich auch die Qualität des Produktes.

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