Mori Planetare cu Bile Pulverization with high energy input

Mori planetare cu bile - principiu de funcționare

Într-o moară planetară cu bile, fiecare incintă reprezintă o "planetă". Această planetă este situată pe o platformă circulară, așa-numitul disc solar. Atunci când acest disc se rotește, incinta se învârte în jurul propriei axe, dar în sens opus. Astfel, se activează forțele centrifugale și Coriolis, ceea ce duce la o accelerare rapidă a bilelor de măcinare. Rezultatul este o energie de pulverizare foarte mare care produce particule foarte fine. Accelerarea puternică a bilelor de măcinare de la un perete al incintei la celălalt produce un puternic efect de impact asupra probei și conduce la efecte suplimentare de reducere a dimensiunii prin frecare.

Pentru măcinarea coloidală și pentru majoritatea celorlalte aplicații, raportul dintre viteza discului solar și viteza incintei de măcinare este de 1: -2. Aceasta înseamnă că, în timpul unei rotații a discului solar, incinta de măcinare se rotește de două ori în direcția opusă. Acest raport este foarte comun pentru morile planetare cu bile în general. Morile planetare cu bile cu aport energetic mai mare și un raport de viteză de 1:-2,5 sau chiar 1:-3 sunt utilizate în principal pentru aplicații de mecanochimie.

Mori planetare cu bile - Materiale pentru incinte și bile de măcinare

Cum alegem materialul potrivit

Dacă, de exemplu, o probă este analizată pentru determinarea conținutului de metale grele, abraziunea elementelor de măcinare (bile și incinte) ar putea introduce crom în probă, ceea ce ar duce la denaturarea rezultatelor analizei. Prin urmare, ar trebui selectat un material fără metale, cum ar fi oxidul de zirconiu. Un alt aspect care trebuie luat în considerare este influența elementelor de măcinare asupra eficienței măcinării. Aici sunt importante două aspecte:

• Energia de măcinare (corelată cu densitatea materialului)
• Duritatea materialului

Energia de măcinare

Energia de măcinare crește odată cu creșterea densității unui material. În cazul în care materialul din care sunt confecționate incintele și bilele de măcinare are o densitate mare, cum ar fi carbura de wolfram, accelerația bilelor de măcinare este mai mare la o viteză dată, în comparație cu materialele cu densitate mai mică. Aceasta înseamnă că aportul de energie este mai mare atunci când bila lovește proba și, în consecință, efectul de sfărâmare este mai mare în cazul materialelor dense. Acest efect este benefic pentru pulverizarea probelor dure și fragile.

Pe de altă parte, pentru materialele moi, un aport prea mare de energie nu este de dorit. În astfel de cazuri, proba nu este realmente măcinată, ci mai degrabă se formează un strat care se lipește de pereții borcanului și care acoperă bilele de măcinare. Omogenizarea nu este posibilă în acest mod, iar recuperarea probei este dificilă. Pentru materialele moi sunt mai potrivite alte tipuri de mori, de exemplu mori cu rotor.

Duritatea

Pentru a selecta materialul potrivit al incintelor și bilelor de măcinare, regula este simplă: Materialul trebuie să fie mai dur decât proba. Dacă materialul este mai puțin dur, bilele ar putea fi măcinate de particulele probei.

Elemente de măcinare din diferite materiale

Nu este indicată utilizarea unor elemente de măcinare din materiale diferite, de exemplu, o incintă din oțel folosită cu bile din oxid de zirconiu. În primul rând, abraziunea ambelor materiale va influența rezultatul analizei finale, iar în al doilea rând, uzura elementelor de măcinare este mult mai mare.

Planetary ball mills - recommended jar fillings

Pentru măcinare uscată

For dry grinding, the best results are usually obtained with the so-called one-third-rule. This means, that approximately one third of the jar volume should be filled with balls. Following this rule, the smaller the balls are, the more must be taken to fill a third of the jar. Another third of the jar volume should be filled with sample material. The remaining third is free space to allow the ball movement inside to achieve the required comminution energy for fast pulverization of the sample.

Following this rule, the required crushing energy is provided while at the same time sufficient sample material is in the jars to prevent wear. 

<sup>1. O treime spațiu liber
2. O treime probă
3. O treime bile de măcinare</sup>

Pentru probe fibroase

În cazul materialelor fibroase sau al materialelor care își pierd drastic din volum atunci când sunt măcinate, se recomandă un nivel mai ridicat de umplere a probei. În incintă trebuie să fie suficient material pentru a minimiza uzura. Dacă este necesar, este posibil să se adauge mai mult material după câteva minute pentru a menține volumul minim necesar. 

<sup>1. Două treimi probă
2. O treime bile de măcinare</sup>

For wet grinding

To produce particle sizes down to 100 nm or less, wet grinding and friction is required rather than impact. This is achieved by using many small balls with a large surface and many friction points. Consequently, the one third filling level, which is recommended for dry milling processes, is exchanged by the 60 % rule, meaning that 60 % of the jar are filled with small balls. The sample amount should be approx. 30 %. First, the small balls are added to the jars (by weight!) and then the material is added and mixed. Finally, the dispersant liquid is mixed carefully.

<sup>1. One sixth to one third sample + liquid
2. Two thirds grinding balls</sup>

Cum selectăm dimensiunea corectă a bilelor de măcinare

O altă regulă de bază este că bilele de măcinare trebuie să fie de cel puțin trei ori mai mari decât cea mai mare particulă de probă. În acest fel, ne asigurăm că bilele pot pulveriza rapid proba.

Pentru a găsi dimensiunea potrivită a bilelor pentru finețea finală dorită, de obicei se poate aplica un factor de aproximativ 1000. Dacă obiectivul este o granulație de 30 µm (D90), cea mai potrivită dimensiune a bilelor ar fi între 20 mm și 30 mm. În cazul în care sunt necesare particule mai mici, bilele trebuie îndepărtate și înlocuite cu altele mai mici pentru o a doua etapă de măcinare.

Deoarece bilele mai mari ar putea să le zdrobească pe cele mai mici, nu este indicat să se combine bile de dimensiuni diferite într-un singur proces de măcinare.

Wet and nanoscale grinding in planetary ball mills

Nanotechnology deals with particles in a range from 1 to 100 nm. These particles possess special properties due to their size, as their surface is greatly enlarged in relation to their volume (so-called “size-induced functionalities”). Ultrafine particles are, for example, harder and more break-resistant than larger particles.

With dry grinding the particle size of a sample can only be reduced to a certain extent as small particles tend to get charged on their surfaces and agglomerate. Therefore, liquid or dispersant is used to keep the particles separated. Salt solutions are used to neutralize the surfaces charges. Long chain molecules in the liquid can keep the particles separated thanks to steric hindrance.  

Due to their significantly enlarged surface in relation to the volume, small particles are drawn to each other by their electrostatic charges. Neutralization of surface charges is only possible by adding a buffer (electrostatic stabilization, left) or by adding long-chained molecules (steric stabilization, right).

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.