Search

Planétové guľové mlyny Pulverizácia s vysokým príkonom energie

Planetove guľové mlyny spĺňajú a prekonávajú všetky požiadavky na rýchle a reprodukovateľné mletie na analytickú jemnosť. Používajú sa na najnáročnejšie úlohy v laboratóriu, od bežného spracovania vzoriek až po koloidné mletie a vývoj pokročilých materiálov.

.

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.

Planetové guľové mlyny - oblasti použitia

Planetové guľové mlyny sa používajú na rozomieľanie mäkkých, tvrdých, krehkých a vláknitých materiálov v suchom aj mokrom režime. Extrémne vysoké odstredivé sily majú za následok veľmi vysokú energiu pulverizácie, a teda krátky čas spracovania.

Planetové guľové mlyny sa ideálne hodia na úlohy vo výskume, ako je napríklad mechanochémia (mechano-syntéza, mechanické legovanie a mechanokatalýza) alebo ultrajemné koloidné mletie v nanometrovom meradle, ako aj na bežné úlohy, ako je miešanie a homogenizácia.

Rozhodujúcou výhodou planetárnych guľových mlynov je ich veľká všestrannosť. Sú k dispozícii s rôznym počtom mlecích staníc. Nádoby a gule sú k dispozícii v rôznych veľkostiach a z rôznych materiálov. 

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.  

1. Jedna tretina voľného priestoru
2. Jedna tretina vzorky
3. Jedna tretina mlecích guľôčok

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. 

1. Dve tretiny vzorky
2. Jedna tretina mlecích guľôčok

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.

1. Jedna šestina až jedna tretina vzorky + kvapalina
2. Dve tretiny mlecích guľôčok

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).

Use of planetary ball mills for co-crystal screening

Co-crystals are solid materials composed of two or more molecular components. Co-crystal screening is the process of identifying suitable co-formers that form stable and desirable co-crystals with a target molecule. Co-crystal screening can be used to improve the physicochemical properties of, e.g., pharmaceuticals or agrochemicals such as solubility or stability. With a special adapter, co-crystal screening can be carried out in a planetary ball mill, using disposable vials such as 1.5 ml GC glass vials. Typically, a few 3 mm or 4 mm steel balls are used to mix the substances at low to moderate speed. If required, a few µl solvent are added. The process is usually finished in 30-120 min.

The adapter features 24 positions arranged in an outer ring with 16 positions and an inner ring with 8 positions. The outer ring accepts up to 16 vials, allowing for screening up to 64 samples simultaneously when using the Planetary Ball Mill PM 400. The 8 positions of the inner ring are suitable to perform trials with different energy input, e.g. for mechanosynthesis research.

As the vials are made of glass, the speed of the mill should be selected carefully, we recommend a maximum of 500 rpm in the PM 300 and 550 rpm in the PM 100. The maximum speed of 400 rpm in the PM 400 is not critical.

For co-crystal screening high energy input generated by high speed is disadvantageous as this might lead to alterations of the chemical compounds of the substances. Consequently, optimum results are obtained at low and moderate speed.

Planétové guľové mlyny - časté otázky

What is a planetary ball mill?

Planetary ball mills are used for pulverizing solid sample materials by impact and friction. The extremely high centrifugal forces result in very high pulverization energy and therefore short grinding times. Planetary ball mills are available with one, two or four grinding stations.

Which applications require a planetary ball mill?

Planetary ball mills are used wherever highest demands are placed on speed, fineness, purity, and reproducibility. They pulverize and mix soft, medium-hard to extremely hard, brittle and fibrous materials and easily achieve grind sizes in the low micron or even in the nanometer range. They are perfectly suited for mechanochemical applications.

How does a planetary ball mill work?

In the planetary ball mill, every grinding jar represents a “planet”. This planet is located on a circular platform, the so-called sun wheel. When the sun wheel turns, every grinding jar rotates around its own axis, but in the opposite direction. Thus, centrifugal and Coriolis forces are activated, leading to a rapid acceleration of the grinding balls.