Planétové guľové mlyny Pulverizácia s vysokým príkonom energie

Planetové guľové mlyny - princíp funkcie

V planetovom guľovom mlyne predstavuje každá nádoba "planétu". Táto planéta je umiestnená na kruhovej platforme, tzv. slnečnom kolese. Keď sa slnečné koleso otáča, nádoba sa otáča okolo svojej osi, ale v opačnom smere. Takto sa aktivujú odstredivé a Coriolisove sily, čo vedie k prudkému zrýchleniu mlecích gulí. Výsledkom je veľmi vysoká energia mletia potrebná na výrobu veľmi jemných častíc. Obrovské zrýchlenie mlecích gulí z jednej steny nádoby na druhú vyvoláva silný nárazový účinok na materiál vzorky a vedie k ďalším účinkom zmenšovania veľkosti prostredníctvom trenia.

Pri koloidnom mletí a väčšine iných aplikácií je pomer medzi rýchlosťou slnečného kolesa a rýchlosťou mlecej nádoby 1 : -2. To znamená, že počas jednej otáčky slnečného kolesa sa mlecia nádoba otočí dvakrát v opačnom smere. Tento pomer otáčok je pre planetové guľové mlyny vo všeobecnosti veľmi bežný. Planetové guľové mlyny s vyšším príkonom energie a pomerom otáčok 1:-2,5 alebo dokonca 1:-3 sa používajú najmä na mechanochemické aplikácie.

Planétové guľové mlyny - materiál nástrojov na mletie

Ako vybrať najvhodnejší materiál

Ak sa napríklad vzorka analyzuje na obsah ťažkých kovov, môže sa do vzorky dostať chróm v dôsledku abrázie oceľového brúsneho nástroja, čo by viedlo k falšovaniu výsledkov analýzy. Preto by sa mal zvoliť materiál bez obsahu kovov, napríklad zirkón.

Ďalším bodom, ktorý je potrebné zvážiť, je vplyv nástroja na účinnosť mletia. Dôležité sú tu dva aspekty:

• • Príkon energie (súvisí s hustotou materiálu).
  • Tvrdosť materiálu

Príkon energie

Príkon energie sa zvyšuje s rastúcou hustotou materiálu. Ak má materiál vysokú hustotu, napríklad karbid volfrámu, zrýchlenie brúsnych guľôčok pri danej rýchlosti je vyššie ako pri materiáloch s nižšou hustotou. To znamená, že pri náraze guľôčok na vzorku je vstupná energia vyššia a v dôsledku toho je účinok drvenia pri hustých materiáloch vyšší. Tento efekt je výhodný pri drvení tvrdých krehkých vzoriek.

Naopak, v prípade mäkkých materiálov môže príliš vysoký príkon energie zabrániť účinnému mletiu. V takýchto prípadoch sa vzorka v skutočnosti nerozomelie na jemný prášok, ale skôr vytvorí vrstvu, ktorá priľne na steny nádoby a pokryje mlecie gule. Homogenizácia teda nie je možná a obnovenie vzorky je náročné. Iné typy mlynov, ako napríklad rotorové mlyny, sú vhodnejšie pre mäkké materiály vzoriek.

Tvrdosť

Nájsť materiál nástroja s vhodnou tvrdosťou je jednoduché: materiál musí byť tvrdší ako vzorka. Ak je materiál menej tvrdý, mlecie guľôčky by sa mohli rozomlieť časticami materiálu vzorky.

Nástroje na mletie z rôznych materiálov

Neodporúča sa používať nástroje na mletie z rôznych materiálov, napr. oceľovú nádobu so zirkónovými guľôčkami. Odieranie oboch materiálov ovplyvňuje výsledok analýzy a zvyšuje sa opotrebovanie nástrojov.

Planetové guľové mlyny - odporúčané náplne nádob

Na suché mletie

Pri suchom mletí sa najlepšie výsledky zvyčajne dosahujú pri tzv. pravidle jednej tretiny. To znamená, že približne jedna tretina objemu nádoby by mala byť vyplnená mlecími guľôčkami. Podľa tohto pravidla platí, že čím sú guľôčky menšie, tým viac ich treba vziať, aby sa naplnila tretina nádoby. Ďalšia tretina objemu nádoby by mala byť vyplnená materiálom vzorky. Zvyšná tretina je voľný priestor, ktorý umožňuje pohyb guľôčok vo vnútri na dosiahnutie požadovanej energie drvenia na rýchle rozomletie vzorky.

Pri dodržaní tohto pravidla sa zabezpečí požadovaná energia drvenia a zároveň sa v nádobách nachádza dostatočné množstvo materiálu vzorky, aby sa zabránilo jej opotrebovaniu.  

<sup>1. Jedna tretina voľného priestoru
2. Jedna tretina vzorky
3. Jedna tretina mlecích guľôčok</sup>

Pre vláknité vzorky

Pri vláknitých materiáloch alebo materiáloch, ktoré počas pulverizácie výrazne strácajú objem, sa odporúča vyššia úroveň naplnenia vzorky. V nádobe musí byť dostatok vzorky, aby sa minimalizovalo opotrebovanie. V prípade potreby sa môže po niekoľkých minútach pridať materiál vzorky, aby sa udržal minimálny požadovaný objem. 

<sup>1. Dve tretiny vzorky
2. Jedna tretina mlecích guľôčok</sup>

Na mokré mletie

Na výrobu častíc s veľkosťou do 100 nm alebo menšou je potrebné skôr mokré mletie a princíp trenie ako nárazu. To sa dosahuje použitím mnohých malých mlecích guľôčok s veľkým povrchom a mnohými trecími bodmi. V dôsledku toho sa tretinová úroveň naplnenia, ktorá sa odporúča pri procesoch suchého mletia, nahrádza pravidlom 60 %, čo znamená, že 60 % nádoby je naplnených malými guľôčkami. Množstvo vzorky by malo byť približne 30 %. Najprv sa do nádob pridajú malé guľôčky (podľa hmotnosti!) a potom sa pridá a premieša vzorka. Nakoniec sa opatrne premieša disperzná kvapalina.

<sup>1. Jedna šestina až jedna tretina vzorky + kvapalina
2. Dve tretiny mlecích guľôčok</sup>

Ako vybrať správnu veľkosť brúsnej gule

Ďalším pravidlom je, že mlecie guľôčky by mali byť aspoň trikrát väčšie ako najväčší kus vzorky. Týmto spôsobom sa zabezpečí, že guľôčky môžu vzorku rýchlo rozomlieť.

Na nájdenie vhodnej veľkosti guľôčok pre požadovanú konečnú jemnosť sa zvyčajne môže použiť faktor približne 1000. Ak je cieľom mletie s veľkosťou 30 µm (D90), najvhodnejšia veľkosť guľôčok by bola medzi 20 mm a 30 mm. Ak sa požadujú menšie častice, guľôčky sa musia odstrániť a nahradiť menšími pre druhý krok procesu.

Keďže väčšie guľôčky by mohli rozdrviť menšie, neodporúča sa kombinovať rôzne veľkosti guľôčok v jednom procese mletia. 

Mokré mletie a mletie v nanorozmeroch v planetárnych guľových mlynoch

Nanotechnológia sa zaoberá časticami s veľkosťou od 1 do 100 nm. Tieto častice majú vďaka svojej veľkosti osobitné vlastnosti, pretože ich povrch je výrazne zväčšený v pomere k ich objemu (tzv. "funkčnosť spôsobená veľkosťou"). Ultrajemné častice sú napríklad tvrdšie a odolnejšie proti rozbitiu ako väčšie častice.

Pri suchom mletí možno veľkosť častíc vzorky zmenšiť len do určitej miery, pretože malé častice majú tendenciu nabíjať sa na svojom povrchu a aglomerovať. Preto sa používa kvapalina alebo disperzant, aby sa častice udržali oddelené. Na neutralizáciu povrchových nábojov sa používajú roztoky solí. Molekuly s dlhým reťazcom v kvapaline môžu vďaka sterickým prekážkam udržať častice oddelené.  

Malé častice sú vďaka svojmu výrazne zväčšenému povrchu v pomere k objemu k sebe priťahované elektrostatickými nábojmi. Neutralizácia povrchových nábojov je možná len pridaním pufra (elektrostatická stabilizácia, vľavo) alebo pridaním molekúl s dlhým reťazcom (sterická stabilizácia, vpravo).

Použitie planetových kulových mlynov pre screening zmesných kryštálov

Zmiešané kryštály sú pevné materiály zložené z dvoch alebo viacerých molekulárnych zložiek. Skríning zmesových kryštálov je proces identifikácie vhodných zmesných formerov, ktoré tvoria stabilné a žiaduce zmesové kryštály s cieľovou molekulou. Skríning zmiešaných kryštálov možno použiť na zlepšenie fyzikálno-chemických vlastností napr. liečiv alebo agrochemikálií, ako je rozpustnosť alebo stabilita. So špeciálnym adaptérom je možné skríning zmiešaných kryštálov vykonávať v planétovom guľovom mlyne s použitím jednorazových fľaštičiek, ako sú 1,5 ml sklenenej fľaštičky GC. Na miešanie látok pri nízkej až strednej rýchlosti sa obvykle používa niekoľko 3 mm alebo 4 mm oceľových guličiek. V prípade potreby sa pridá niekoľko µl rozpúšťadla. Proces je obvykle dokončený za 30-120 minút.

Adaptér má 24 pozícií usporiadaných do vonkajšieho krúžku so 16 pozíciami a vnútorného krúžku s 8 pozíciami. Vonkajší krúžok pojme až 16 liekoviek, čo umožňuje skríning až 64 vzoriek súčasne pri použití planétového guľového mlynu PM 400. 8 pozícií vnútorného krúžku je vhodných na vykonávanie skúšok s rôznym energetickým vstupom, napr. na výskum mechanosyntéz.

Vzhľadom na to, že fľaštičky sú sklenené, je potrebné starostlivo voliť rýchlosť mlynu, odporúčame maximálne 500 ot./min pri PM 300 a 550 ot./min pri PM 100. Maximálna rýchlosť 400 ot./min pri PM 400 nie je kritická.

Pre skríning zmiešaných kryštálov je vysoký energetický vstup generovaný vysokou rýchlosťou nevýhodný, pretože by to mohlo viesť k zmenám chemických zlúčenín látok. V dôsledku toho sú optimálne výsledky dosiahnuté pri nízkej a strednej rýchlosti.