Mulini planetari a sfere Polverizzazione con elevato apporto di energia

Mulini planetari a sfere - Principi di funzionamento

In un mulino planetario a sfere, ogni giara rappresenta un "pianeta". Questo pianeta si trova su una piattaforma circolare, la cosiddetta ruota solare. Quando la ruota solare gira, la giara ruota intorno al proprio asse, ma in direzione opposta. Si attivano così le forze centrifughe e di Coriolis, che portano a una rapida accelerazione delle sfere di macinazione. Il risultato è un'energia di polverizzazione molto elevata, necessaria per produrre particelle molto fini. L'enorme accelerazione delle sfere di macinazione da una parete all'altra della giara produce un forte effetto di impatto sul materiale del campione e porta a ulteriori effetti di riduzione delle dimensioni attraverso l'attrito.

Per la macinazione colloidale e per la maggior parte delle altre applicazioni, il rapporto tra la velocità della ruota solare e la velocità della giara di macinazione è 1: -2. Ciò significa che durante una rotazione della ruota solare, la giara di macinazione ruota due volte nella direzione opposta. Questo rapporto di velocità è molto comune per i mulini planetari a sfere in generale. I mulini a sfere planetari con un maggiore apporto di energia e un rapporto di velocità di 1:-2,5 o addirittura 1:-3 sono utilizzati principalmente per applicazioni meccanochimiche.

Mulini planetari a fere - Giara di macinazione e materiali a sfera

Come scegliere il materiale più adatto

Se, ad esempio, un campione viene analizzato per il suo contenuto di metalli pesanti, l'abrasione della macina e delle sfere in acciaio potrebbe introdurre cromo nel campione, falsando i risultati delle analisi. Pertanto, è opportuno scegliere un materiale privo di metalli, come l'ossido di zirconio. Un altro aspetto da considerare è l'influenza dello strumento sull'efficienza di rettifica. In questo caso sono importanti due aspetti:

• Energia assorbita (in relazione alla densità del materiale)
• Durezza del materiale

Energia in entrata

L'apporto di energia cresce con l'aumentare della densità di un materiale. Se il materiale delle giare e delle sfere di macinazione ha una densità elevata, come il carburo di tungsteno, l'accelerazione delle sfere di macinazione è maggiore a una determinata velocità rispetto ai materiali di densità inferiore. Ciò significa che l'energia immessa è maggiore quando la sfera colpisce il campione e, di conseguenza, l'effetto di frantumazione è maggiore con i materiali densi. Questo effetto è vantaggioso per la polverizzazione di campioni resistenti.

Nel caso di campioni morbidi, invece, un apporto energetico eccessivo può impedire una frantumazione efficace. In questi casi, il campione non viene realmente polverizzato in una polvere fine, ma forma uno strato che si attacca alle pareti della giara e copre le sfere di macinazione. In questo modo, l'omogeneizzazione non è possibile e il recupero del campione è difficile. Per i campioni di materiale morbido, sono più adatti altri tipi di mulini, ad esempio quelli a rotore.

Durezza

Per trovare un materiale per giare e sfere con una durezza adeguata, la considerazione è semplice: Il materiale deve essere più duro del campione. Se il materiale è meno duro, le sfere di macinazione potrebbero essere macinate dalle particelle del materiale del campione.

Utensili di macinazione di diversi materiali

Non è consigliabile utilizzare strumenti di macinazione di materiali diversi, ad esempio una giara in acciaio utilizzata con sfere in ossido di zirconio. In primo luogo, l'abrasione di entrambi i materiali influisce sul risultato analitico e, in secondo luogo, aumenta l'usura degli utensili.

Mulini planetari a sfere - Riempimento raccomandato delle giare

Per macinazione a secco

Per la macinazione a secco, i risultati migliori si ottengono di solito con la cosiddetta regola del terzo. Ciò significa che circa un terzo del volume del vaso deve essere riempito con le sfere di macinazione. Seguendo questa regola, più le sfere sono piccole, più bisogna riempire un terzo del vaso. Un altro terzo del volume della giara deve essere riempito con il materiale del campione. Il terzo rimanente è lo spazio libero per consentire il movimento delle sfere all'interno per ottenere l'energia di comminuzione necessaria per una rapida polverizzazione del campione.

Seguendo questa regola, viene fornita l'energia di frantumazione necessaria e allo stesso tempo nelle giare è presente una quantità di materiale campione sufficiente a prevenirne l'usura.

^{1. Un terzo di spazio libero 2. Un terzo di campione 3. Un terzo di sfere di macinazione}

Per campioni in materiale fibroso

Per i materiali fibrosi o che perdono drasticamente volume quando vengono polverizzati, è consigliabile un livello di riempimento del campione più elevato. Nella giara deve essere presente una quantità sufficiente di materiale per ridurre al minimo l'usura. Se necessario, è possibile aggiungere il materiale del campione dopo alcuni minuti per mantenere il volume minimo richiesto.

<sup>1. Due terzi di campione
2. Un terzo di sfere di macinazione</sup>

Per macinazione a umido

Per produrre particelle di dimensioni pari o inferiori a 100 nm, è necessario ricorrere alla macinazione a umido e all'attrito piuttosto che all'impatto. Ciò si ottiene utilizzando molte piccole sfere di macinazione con un'ampia superficie e molti punti di attrito. Di conseguenza, il livello di riempimento di un terzo, raccomandato per i processi di macinazione a secco, è sostituito dalla regola del 60%, ovvero il 60% della giara è riempito da piccole sfere. La quantità di campione dovrebbe essere circa il 30%. Per prima cosa si aggiungono le palline ai vasi (in base al peso!), quindi si aggiunge il campione e si mescola. Infine, si mescola accuratamente il liquido disperdente.

<sup>1. Da un sesto a un terzo di campione + liquido
2. Due terzi di sfere di macinazione</sup>

Come scegliere le dimensioni corrette delle sfere di macinazione

Un'altra regola empirica è che le sfere di macinazione devono essere almeno tre volte più grandi del pezzo più grande del campione. In questo modo si garantisce che le sfere possano polverizzare rapidamente il campione. Per trovare la dimensione della sfera adatta alla finezza finale desiderata, di solito si può applicare un fattore di circa 1000. Se l'obiettivo è una macinazione di 30 µm (D90), la dimensione delle sfere più adatta è compresa tra 20 e 30 mm. Se sono necessarie particelle più piccole, le sfere devono essere rimosse e sostituite con altre più piccole in una seconda fase del processo. Poiché le sfere più grandi potrebbero schiacciare quelle più piccole, non è consigliabile combinare sfere di dimensioni diverse in un unico processo di macinazione.

Macinazione a umido e su scala nanometrica in mulini a sfere planetari

La nanotecnologia si occupa di particelle di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm. Queste particelle possiedono proprietà speciali dovute alle loro dimensioni, in quanto la loro superficie è notevolmente ingrandita rispetto al loro volume (le cosiddette "funzionalità indotte dalle dimensioni"). Le particelle ultrafini sono, ad esempio, più dure e resistenti alla rottura rispetto alle particelle più grandi.

Con la macinazione a secco, le dimensioni delle particelle di un campione possono essere ridotte solo fino a un certo punto, poiché le particelle piccole tendono a depositarsi sulle superfici e ad agglomerarsi. Pertanto, per mantenere le particelle separate si ricorre a un liquido o a un disperdente. Le soluzioni saline vengono utilizzate per neutralizzare le cariche superficiali. Le molecole a catena lunga presenti nel liquido possono mantenere le particelle separate grazie all'ostacolo sterico.

A causa della loro superficie notevolmente ingrandita rispetto al volume, le piccole particelle sono attratte l'una dall'altra dalle loro cariche elettrostatiche. La neutralizzazione delle cariche superficiali è possibile solo aggiungendo un tampone (stabilizzazione elettrostatica, a sinistra) o aggiungendo molecole a catena lunga (stabilizzazione sterica, a destra).

Utilizzo di mulini a sfere planetari per lo screening dei co-cristalli

I co-cristalli sono materiali solidi composti da due o più componenti molecolari. Lo screening dei co-cristalli è il processo di identificazione di coformatori adatti che formano co-cristalli stabili e desiderabili con una molecola target. Lo screening dei co-cristalli può essere utilizzato per migliorare le proprietà fisico-chimiche, ad esempio, di prodotti farmaceutici o agrochimici, come la solubilità o la stabilità. Con uno speciale adattatore, lo screening dei co-cristalli può essere effettuato in un mulino a sfere planetario, utilizzando fiale monouso come quelle in vetro GC da 1,5 ml. In genere, si utilizzano alcune sfere di acciaio da 3 o 4 mm per mescolare le sostanze a velocità bassa o moderata. Se necessario, si aggiungono alcuni µl di solvente. Il processo viene solitamente completato in 30-120 minuti.

L'adattatore è dotato di 24 posizioni disposte in un anello esterno con 16 posizioni e un anello interno con 8 posizioni. L'anello esterno accetta fino a 16 fiale, consentendo di analizzare fino a 64 campioni contemporaneamente quando si utilizza il mulino a palle planetarie PM 400. Le 8 posizioni dell'anello interno sono adatte per eseguire prove con diversi input di energia, ad esempio per la ricerca sulla meccanosintesi.
Poiché le fiale sono in vetro, la velocità del mulino deve essere selezionata con attenzione; si consiglia un massimo di 500 giri/min. nel modello PM 300 e di 550 giri/min. nel modello PM 100. La velocità massima di 400 giri/min. nel modello PM 400 non è critica. La velocità massima di 400 giri/min nel modello PM 400 non è critica.

Per lo screening dei co-cristalli, l'elevato input di energia generato dall'alta velocità è svantaggioso in quanto potrebbe portare ad alterazioni dei composti chimici delle sostanze. Di conseguenza, i risultati ottimali si ottengono a velocità basse e moderate.