Die Schüttdichte beschreibt, wie viel Masse eines Schüttguts in einem bestimmten Volumen enthalten ist. Bei Pulvern und Granulaten umfasst dieses Volumen nicht nur die festen Partikel selbst, sondern auch die Luft und die Hohlräume zwischen den Partikeln. Deshalb ist die Schüttdichte nicht mit der Dichte eines Werkstoffs wie Stahl, Kunststoff oder Glas gleichzusetzen.
In industriellen Prozessen hat dieser Unterschied eine sehr praktische Bedeutung. Die Schüttdichte beeinflusst unter anderem die Auslegung von Behältern, die Befüllung von Big Bags, die Leistung volumetrischer Dosierer, die Dosiergenauigkeit, Lagerkapazitäten und das Verhalten eines Materials nach Transport und Förderung. Dieselbe Masse eines Pulvers kann ein anderes Volumen einnehmen, wenn das Material stärker belüftet, verdichtet, feuchter oder mechanisch beansprucht ist.
Was bedeutet Schüttdichte?
Vereinfacht ausgedrückt ist die Schüttdichte die Masse eines Schüttguts geteilt durch das Volumen, das dieses Material als Schüttung einnimmt. Sie kann als 
dargestellt werden, wobei 
die Masse der Probe und 
das von der Schüttung eingenommene Volumen bezeichnet.
Entscheidend ist dabei, dass das gesamte Volumen der Schüttung betrachtet wird. Ein mit Pulver gefüllter Behälter enthält keinen homogenen Festkörper. Zwischen den Partikeln befinden sich Hohlräume, und besonders feine Pulver können zusätzlich erhebliche Mengen Luft einschließen. Wird dasselbe Material locker eingefüllt, nimmt es deshalb häufig mehr Volumen ein als nach Klopfen, Vibration, Druckbelastung oder längerer Lagerung.
Eine Schüttdichte ist daher nur dann aussagekräftig, wenn bekannt ist, unter welchen Bedingungen sie bestimmt wurde. Die Dichte einer locker eingefüllten Schüttung, eine nach definiertem Klopfen oder Stampfen ermittelte Dichte und die Dichte eines unter Druck konsolidierten Schüttguts beschreiben unterschiedliche Zustände des Materials.
| Eigenschaft | Was bedeutet sie? | Praktisches Beispiel |
|---|---|---|
| Schüttdichte | Masse eines Materials bezogen auf das Volumen einer locker eingefüllten Schüttung ohne gezielte Verdichtung. | Ein frei in einen Behälter eingefülltes Pulver nimmt relativ viel Platz ein, weil sich zwischen den Partikeln Luft und Hohlräume befinden. |
| Stampf- oder Klopfdichte | Dichte der Schüttung nach einer definierten mechanischen Verdichtung. Der genaue Begriff hängt vom Werkstoff und vom verwendeten Prüfverfahren ab. | Dasselbe Pulver kann nach Klopfen, Vibration oder Transport ein kleineres Volumen einnehmen. |
| Rein- oder Partikeldichte | Dichte des festen Partikelmaterials ohne die Hohlräume zwischen einzelnen Partikeln. Je nach Messmethode können Poren innerhalb der Partikel unterschiedlich berücksichtigt werden. | Sie beschreibt den Feststoff selbst und nicht direkt, wie viel loses Pulver in einen Behälter oder Trichter passt. |
| Verdichtbarkeit | Fähigkeit einer Schüttung, ihr Volumen unter zunehmender Belastung zu verringern. | Ein feines kohäsives Pulver kann sich im unteren Bereich eines Silos deutlich stärker verdichten als an der Oberfläche. |
| Feuchtegehalt | Menge an Feuchtigkeit im Material oder auf der Partikeloberfläche. | Feuchtigkeit kann Kohäsion, Klumpenbildung, Packungsverhalten und Fließverhalten verändern. |
Wie wird die Schüttdichte von Pulvern bestimmt?
Die grundlegende Berechnung ist einfach, für einen reproduzierbaren Messwert ist jedoch ein definiertes Prüfverfahren erforderlich. Eine bekannte Masse des Materials wird in ein Messgefäß oder einen Messzylinder eingebracht und das von der Schüttung eingenommene Volumen bestimmt. Anschließend wird die Schüttdichte aus dem Verhältnis von Masse zu Volumen berechnet.
Bei einer locker eingefüllten Schüttung wird das Material nach dem jeweiligen Prüfverfahren ohne gezielte Verdichtung in das Gefäß eingebracht. Soll eine verdichtete Dichte bestimmt werden, kann das Gefäß beispielsweise einer definierten Anzahl von Klopf-, Stampf- oder Vibrationsbewegungen ausgesetzt werden. Welche Apparatur, Probenmenge und Vorgehensweise verwendet wird, hängt vom Material und von der jeweiligen Norm ab.
Es gibt deshalb kein einziges Prüfverfahren zur Bestimmung der Schüttdichte, das für alle Pulver und Granulate gleichermaßen gilt. Für Kunststoffe, keramische Pulver, Metallpulver, Pigmente oder andere Schüttgüter können unterschiedliche Prüfmethoden vorgesehen sein. Vergleichbar sind Messwerte vor allem dann, wenn sie unter vergleichbaren Bedingungen und nach derselben Methode bestimmt wurden.
Die Schüttdichte wird häufig in kg/m³, t/m³, kg/l oder g/cm³ angegeben. Hat beispielsweise eine locker eingefüllte Pulverprobe mit einem Volumen von 500 ml eine Masse von 350 g, ergibt sich:
Das entspricht ungefähr 700 kg/m³. Nimmt dieselbe Masse nach einer definierten Verdichtung ein kleineres Volumen ein, steigt die gemessene Dichte, obwohl sich Masse und chemische Zusammensetzung des Materials nicht geändert haben.
Schüttdichte und Partikeldichte sind nicht dasselbe
Die Schüttdichte beschreibt eine gesamte Pulverschüttung einschließlich der Zwischenräume zwischen den Partikeln. Die Rein-, Skelett- oder Partikeldichte bezieht sich dagegen auf das feste Material der Partikel. Welche Poren im Inneren der Partikel bei einer solchen Dichtebestimmung berücksichtigt oder ausgeschlossen werden, hängt von der verwendeten Messmethode und Definition ab.
Dieser Unterschied ist in der Praxis wichtig, weil verfahrenstechnische Anlagen keine einzelnen idealen Partikel verarbeiten, sondern große Mengen von Partikeln als Schüttgut. Ein Werkstoff kann als Feststoff eine hohe Dichte besitzen und gleichzeitig als stark belüftetes oder locker gepacktes Pulver eine vergleichsweise niedrige Schüttdichte aufweisen.
Für Behälter, Verpackungen, Dosierer und erste Mengenabschätzungen ist die Schüttdichte daher häufig relevanter als die reine Werkstoffdichte. Sie stellt den Zusammenhang zwischen der im Prozess betrachteten Masse und dem dafür benötigten Volumen her.
Feine Pulver, Granulate und feuchte Schüttgüter verhalten sich unterschiedlich
Feine Pulver reagieren häufig empfindlicher auf zwischenpartikuläre Kräfte, Belüftung und Verdichtung als gröbere, gut fließende Granulate. Die Partikelgröße allein bestimmt das Verhalten eines Pulvers jedoch nicht. Auch Partikelform, Korngrößenverteilung, Oberflächeneigenschaften, Feuchtigkeit, elektrostatische Effekte und die mechanische Vorgeschichte des Materials können Schüttdichte und Fließverhalten beeinflussen.
Granulate mit größeren und regelmäßigeren Partikeln können sich unter bestimmten Bedingungen gleichmäßiger packen und besser fließen als sehr feine, kohäsive Pulver. Das ist jedoch keine allgemeingültige Regel. Unregelmäßige Partikel können sich verhaken, Mischungen unterschiedlicher Korngrößen können eine besonders dichte Packung bilden und Granulate können sich während Transport und Förderung entmischen oder mechanisch verändern.
Feuchtigkeit kann das Verhalten eines Schüttguts in unterschiedliche Richtungen verändern. Je nach Material kann sie Staubbildung oder elektrostatische Aufladung verringern. Gleichzeitig kann sie aber auch die Kohäsion erhöhen, Flüssigkeitsbrücken zwischen Partikeln erzeugen und die Bildung von Agglomeraten oder Verkrustungen fördern. Eine einzelne Schüttdichte reicht deshalb nicht aus, um die Austragbarkeit oder Fließfähigkeit eines feuchten Pulvers zuverlässig zu beurteilen.
Ein vereinfachter Zusammenhang:
locker eingefülltes oder belüftetes Pulver → mehr Hohlraum zwischen den Partikeln → niedrigere Schüttdichte
Klopfen, Vibration oder Belastung → dichtere Partikelpackung → höhere Dichte der Schüttung
Partikelbruch oder Abrieb → veränderte Korngrößenverteilung → mögliches verändertes Packungs-, Fließ- und Dosierverhalten
Bei mechanischer und pneumatischer Förderung kommen weitere Einflüsse hinzu. Partikel werden beschleunigt, umgelenkt und durch Reibung oder Aufprall beansprucht. Empfindliche Granulate und Agglomerate können zerbrechen, während Abrieb einen höheren Feinanteil erzeugen kann. Dadurch können sich Korngrößenverteilung, Staubentwicklung, Schüttdichte und Dosierverhalten verändern.
Warum ist die Schüttdichte beim Dosieren wichtig?
Ein volumetrischer Dosierer fördert ein bestimmtes Materialvolumen pro Zeiteinheit. Bleibt die Schüttdichte ausreichend konstant, lässt sich dieses Volumen relativ zuverlässig einer bestimmten Masse zuordnen. Ändert sich die Schüttdichte jedoch durch Belüftung, Verdichtung oder schwankende Materialeigenschaften, kann dasselbe geförderte Volumen einer anderen Masse entsprechen.
Eine Dosierschnecke kann beispielsweise mit unveränderter Drehzahl laufen, während sich der tatsächliche Massendurchsatz verändert, weil sich die Füllung der Schnecke oder die Schüttdichte des Materials geändert hat. Die Einstellungen der Maschine bleiben gleich, obwohl dem Prozess mehr oder weniger Rohstoff zugeführt wird.
Bei hohen Anforderungen an die Dosiergenauigkeit oder bei deutlich schwankenden Materialeigenschaften kommen deshalb häufig gravimetrische Dosiersysteme zum Einsatz. Ein Differentialdosierer erfasst die zeitliche Änderung der Masse und regelt die Förderleistung entsprechend nach. Er ist damit weniger davon abhängig, dass ein bestimmtes Fördervolumen stets exakt derselben Masse entspricht.
Volumetrische Dosierung kann dennoch eine geeignete und wirtschaftliche Lösung sein, wenn das Schüttgut ausreichend konstante Eigenschaften besitzt und die geforderte Genauigkeit dies zulässt. Entscheidend ist, dass Schwankungen der Schüttdichte bei der Auslegung und Prozessbewertung berücksichtigt werden.
Welche Bedeutung hat die Schüttdichte für Bunker und Silos?
Behälter, Bunker und Silos stellen ein bestimmtes Nutzvolumen bereit, während Produktion und Logistik häufig in Masseeinheiten planen: Kilogramm, Tonnen, Säcke, Big Bags oder komplette Lieferungen. Die Schüttdichte verbindet diese beiden Größen miteinander.
Hat ein Material beispielsweise eine Schüttdichte von 500 kg/m³, benötigt eine Tonne ungefähr 2,0 m³ Volumen. Bei einer Schüttdichte von 800 kg/m³ benötigt dieselbe Tonne nur etwa 1,25 m³. Die Differenz beträgt 0,75 m³ pro Tonne und kann bei größeren Lagermengen erheblichen Einfluss auf die benötigte Behälterkapazität haben.
Schwankungen der Schüttdichte verändern außerdem den Zusammenhang zwischen dem gemessenen Füllstand und der tatsächlich im Behälter vorhandenen Masse. Ein ähnlicher Füllstand muss nicht dieselbe Materialmasse bedeuten, wenn eine Charge stärker belüftet oder stärker verdichtet ist als eine andere.
Eine in einem kleinen Messgefäß bestimmte Schüttdichte darf jedoch nicht als alleiniger Auslegungswert für ein großes Silo verwendet werden. Mit zunehmender Belastung kann sich das Schüttgut verdichten. Im unteren Bereich eines hohen Silos herrschen andere Spannungs- und Verdichtungsverhältnisse als in einer locker eingefüllten Laborprobe.
Für die verfahrenstechnische Auslegung von Silos, Bunkern und Austragssystemen können deshalb weitere Schüttguteigenschaften erforderlich sein. Dazu gehören beispielsweise die Schüttgut- beziehungsweise Fließfestigkeit, Wandreibung, Verdichtungsverhalten und Luftdurchlässigkeit. Eine einfache Schüttdichte ist für erste Volumenabschätzungen nützlich, beschreibt das mechanische Verhalten eines gelagerten Schüttguts aber nicht vollständig.
Was sagt die Schüttdichte nicht aus?
Die Schüttdichte ist ein wichtiger Kennwert, aber kein vollständiges Maß für die Fließfähigkeit eines Pulvers. Aus einer einzigen Dichtezahl lässt sich nicht sicher ableiten, ob ein Material über einem Auslauf eine stabile Brücke bildet, sich während der Befüllung entmischt, nach längerer Lagerung verfestigt oder beim Austrag unkontrolliert fließt.
Solche Probleme können unter anderem von Korngrößenverteilung, Partikelform, Feuchtigkeit, Kohäsion, Wandreibung, Verdichtbarkeit, Luftdurchlässigkeit, elektrostatischen Eigenschaften und der Belastungsgeschichte der Schüttung abhängen. Für eine belastbare Bewertung sollten deshalb die Eigenschaften untersucht werden, die für den jeweiligen Prozess tatsächlich relevant sind.
In der Praxis sind drei Punkte besonders wichtig. Erstens sollte eindeutig angegeben werden, in welchem Zustand die Dichte bestimmt wurde und nach welchem Prüfverfahren. Zweitens muss die Messung reproduzierbar durchgeführt werden, weil Probenvorbereitung und Handhabung das Ergebnis beeinflussen können. Drittens sollten Probleme mit Austrag, Brückenbildung oder instabiler Dosierung nicht allein anhand der Schüttdichte bewertet werden.
Quellen und weiterführende Informationen
- DIN Media – DIN EN ISO 60:2023-12: Kunststoffe – Bestimmung der scheinbaren Dichte von Formmassen, die durch einen gegebenen Trichter abfließen können (Schüttdichte)
- DIN Media – DIN EN ISO 23145-2: Hochleistungskeramik – Bestimmung der Dichte von keramischen Pulvern – Teil 2: Schüttdichte
- DIN Media – DIN EN ISO 787-11: Allgemeine Prüfverfahren für Pigmente und Füllstoffe – Bestimmung des Stampfvolumens und der Stampfdichte
- DIN Media – DIN EN ISO 3953: Pulvermetallurgie – Metallpulver – Bestimmung der Klopfdichte
- Fraunhofer IFAM – Pulveranalyse und Prüflabor
- Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg – Fließeigenschaften von Schüttgütern
- VDI 2694 – Bunker und Silos: Beschickung, Lagerung und Austrag von Schüttgut
- Coperion – Dosiergeräte für Schüttgüter
- Coperion – Pneumatische Fördersysteme
- GEA – Pneumatische Förderung von Pulvern und Schüttgütern
