Что такое лабораторная планетарная шлифовальная машина? Настольная мельница для измельчения нанопорошков

Что такое лабораторная планетарная шлифовальная машина?

Лабораторная планетарная шлифовальная машина по своей сути представляет собой компактную настольную шлифовальную машину, которую лаборатории используют для измельчения небольших партий твердого материала в мелкий и сверхтонкий порошок. Она принадлежит к семейству планетарных шаровых мельниц, и ее название описывает движение размольных стаканов: каждый стакан вращается вокруг своей оси, а несущий его диск вращается в противоположном направлении, как планеты вращаются вокруг Солнца. Поскольку образец обрабатывается между твердыми шариками внутри герметичной банки, измельчение происходит быстро, воспроизводимо и подходит для дорогих, редких, опасных или чувствительных к воздуху материалов.

Оборудование отвечает на очень практический вопрос: как произвести от нескольких граммов до нескольких сотен граммов четко определенного порошка, не загрязняя его? Лабораторный планетарный измельчитель используется для подготовки образцов минералов, керамики, цемента, металлов, полимеров и биологических материалов перед рентгеноструктурным, рентгенофлуоресцентным, спектроскопическим, гранулометрическим анализом, микроскопией или механическими испытаниями. Его банки можно запечатать в перчаточном боксе для бескислородной работы, заполнить растворителем для мокрого измельчения или охладить для мягких и эластичных материалов, которые не разрушаются при комнатной температуре. Короче говоря, это стандартный настольный инструмент для превращения грубого гетерогенного образца в гомогенный порошок, которому может доверять аналитический прибор.

Принцип работы: как крупные частицы превращаются в мелкий порошок

Планетарное движение и происхождение энергии измельчения

Размольные стаканы закреплены на вращающемся держателе, обычно называемом солнечным диском. При вращении диска каждый кувшин вращается вокруг центра машины и одновременно вращается вокруг своей оси посредством ременной или зубчатой ​​передачи. Два вращения происходят в противоположных направлениях, поэтому движение банки представляет собой комбинацию вращения и вращения; именно эта геометрия дала устройству планетарное название.

Поскольку банку носят по кругу, пока она вращается вокруг своей оси, центробежное поле внутри нее непрерывно меняется как по направлению, так и по величине. Шарики, прижатые в какой-то момент к внешней стенке банки, позже отбрасываются к внутренней стороне, а взаимодействие стенки банки с шариками поддерживает заряд в постоянном турбулентном движении. По сравнению с простой барабанной мельницей того же размера, это двойное движение передает значительно больше кинетической энергии мелющим телам в единицу времени, поэтому планетарная мельница может достигать порошков микрометрового масштаба за минуты, а не за часы.

Удар и трение: два механизма измельчения

Внутри чаши мелющие шары поднимаются вращающейся стенкой, переносятся по изогнутой поверхности, а затем высвобождаются или перекатываются на противоположную сторону. Материал, зажатый между шариком и стенкой банки, подвергается сжатию; материал, зажатый между двумя шариками, движущимися с разной скоростью, подвергается напряжению сдвига и трения. Оба механизма работают одновременно, а их соотношение зависит от скорости вращения, размера и плотности шариков и уровня наполнения банки.

Твердые, хрупкие материалы, такие как кварц, корунд, цементный клинкер, стекло и кремний, разрушаются главным образом при ударе, образуя осколки с острыми краями, которые постепенно измельчаются по мере продолжения измельчения. Более мягкие или более пластичные материалы — металлы, полимеры, растительные ткани — деформируются, а не разрушаются, поэтому они больше полагаются на трение и сдвиг; если они достаточно пластичны, они могут при холодной сварке превратиться в хлопья, а не сломаться, поэтому для них часто требуется криогенное или мокрое измельчение. Какой бы механизм ни доминировал, практическая цель одна: создать свежие поверхности разрушения быстрее, чем мелкие частицы смогут повторно агломерироваться.

Параметры процесса, определяющие конечный порошок

Пять параметров определяют, что выйдет из банки. Во-первых, это скорость вращения: энергия, передаваемая шарам, резко возрастает с ростом скорости, поэтому удвоение скорости может значительно сократить время измельчения, но также повышает температуру внутри стакана и увеличивает износ стаканов и шаров. Второй — это соотношение между вращением солнечного диска и вращением банок, что меняет траекторию шаров и, следовательно, баланс между ударом и трением.

Третий — это соотношение шариков к порошку, обычно выражаемое по весу. Для лабораторных работ типично соотношение примерно от 5:1 до 20:1; более высокое соотношение измельчает быстрее, но оставляет меньше места для пробы. Четвертое — это распределение шариков по размерам: большие шарики эффективно разбивают крупные частицы, а маленькие создают самый мелкий порошок, поэтому сочетание диаметров часто является лучшим компромиссом. Пятый — степень заполнения банки — обычное правило — одна треть шариков, одна треть образца и одна треть свободного пространства, чтобы заряду было достаточно места для перемещения.

Также важно, является ли процесс сухим или влажным. Сухое измельчение является простым и позволяет избежать содержания растворителя в порошке, однако мелкие частицы имеют тенденцию покрывать стенки и шарики и повторно агломерироваться. Мокрое измельчение с водой, этанолом, изопропанолом или другой подходящей жидкостью диспергирует частицы, предотвращает агломерацию, улучшает достижимую крупность и уменьшает пыль, хотя при этом добавляется этап сушки. Для термочувствительных образцов короткие интервалы измельчения с паузами для охлаждения — программируемая функция большинства современных лабораторных планетарных шлифовальных машин — более эффективны, чем один длинный цикл.

Основные компоненты и конфигурации

Размольные стаканы

Размольный стакан является одновременно технологической камерой и основным расходным материалом. Он должен быть тверже образца, чтобы избежать чрезмерного износа, химически совместим с образцом и растворителем и термически стабилен. Агатовые банки — классический выбор для спектроскопических работ, чувствительных к загрязнению; банки из циркония и корунда (глинозема) обеспечивают более высокую плотность и твердость для керамики и минералов; банки из нержавеющей стали долговечны и ударопрочны для металлов и общего использования; а банки из нейлона, ПТФЭ или полиуретана используются для мягких, липких или биологических образцов, а также для щадящей гомогенизации. Вакуумные банки позволяют измельчать без доступа воздуха.

Мелющие шары и мелющие тела

Шарики выбираются в соответствии с материалом банки и целевым размером частиц. Шары из циркония, агата, корунда и карбида вольфрама предпочтительны там, где загрязнение должно быть сведено к минимуму, тогда как мелющие шары из нержавеющей стали, включая марки нержавеющей стали 304, широко используются для общего измельчения, поскольку они прочные, плотные и экономичные. Диаметр шариков обычно варьируется от 3 до 20 мм, а типичная загрузка включает в себя два или три размера. Поскольку шарики постоянно сталкиваются друг с другом и со стенками банки, со временем и среда, и банка изнашиваются; изнашиваемый материал попадает в порошок, поэтому первым правилом выбора среды является выбор банки, которая тверже образца.

Солнечный диск, система привода и управления

Механическим сердцем машины является солнечный диск и его привод. Двигатель вращает диск посредством ремня или зубчатой ​​передачи, и та же передача заставляет кувшины вращаться в противоположных направлениях. Диск должен быть динамически сбалансирован, поскольку несбалансированная нагрузка со скоростью несколько сотен оборотов в минуту вызывает вибрацию, шум и преждевременный выход подшипника из строя. Над банками расположены зажимные устройства, защитная крышка и блокировочный выключатель, который останавливает машину, если крышка открывается во время работы. Панель управления — все чаще представляющая собой сенсорный экран — устанавливает скорость, время работы, направление, интервалы пауз и циклы повторения, а также сохраняет программы, чтобы тот же рецепт можно было воспроизвести несколько месяцев спустя.

Распространенные конфигурации лабораторной планетарной шлифовальной машины

Лабораторная планетарная шлифовальная машина доступна в нескольких практичных конфигурациях, а не в виде одной фиксированной модели. Вертикальные настольные агрегаты с двумя или четырьмя станциями измельчения наиболее распространены в научно-исследовательских лабораториях, так как позволяют параллельно обрабатывать два или четыре образца в одинаковых условиях. Полнонаправленные модели оснащены трехмерным движением солнечного диска, что улучшает смешивание и помогает с пробами, которые имеют тенденцию оседать или слеживаться. Низкотемпературные версии и версии с жидким азотом предназначены для полимеров, биологических тканей и других термочувствительных или эластичных материалов, а микромодели с небольшими баночками подходят для объемов всего несколько граммов.

Ключевые показатели эффективности и точки выбора

Производительность и размер партии

Емкость обычно указывается как объем стакана на одну станцию ​​измельчения — например, 50 мл, 100 мл, 250 мл, 500 мл или 1 л. Полезный образец намного меньше объема стакана, примерно одна его треть, поскольку шарики и свободное пространство также должны поместиться. Таким образом, машина с четырьмя станциями и банками емкостью 250 мл обрабатывает четыре пробы по 60–80 мл каждая за один цикл. Какое количество станций является правильным, зависит от рабочей нагрузки: устройства с одной станцией достаточно для периодического измельчения, а машина с четырьмя станциями действительно увеличивает производительность в загруженной аналитической лаборатории.

Достижимая тонкость и воспроизводимость

Исходный материал обычно должен быть предварительно измельчен до нескольких миллиметров. Отсюда лабораторная планетарная мельница может легко достигать размера 10–100 мкм, а при оптимизированной скорости, среде и времени она может производить порошки размером около 1 мкм; действительно субмикронные результаты достижимы для хрупких материалов, особенно во влажном режиме. Воспроизводимость важнее, чем единственный лучший результат: одна и та же банка, среда, соотношение, скорость и время должны каждый раз обеспечивать одинаковое распределение частиц по размерам. Вот почему программируемое управление и стабильная система зажима банок так же важны для лаборатории контроля качества, как максимальная скорость для исследовательской группы.

Скорость, энергия и эффективность

Максимальная скорость вращения, мощность двигателя и передаточное число — это цифры для сравнения. Более высокая скорость означает более короткое время измельчения и более мелкий порошок, но это также означает больше тепла, больший износ и больше шума, поэтому машина, которая достигает очень высокой скорости, не автоматически является лучшим выбором для термочувствительных образцов. Вопрос практической эффективности заключается в том, сколько электрической энергии и сколько времени оператору необходимо для получения заданной крупности с приемлемым загрязнением — и здесь материал стакана, распределение шариков по размерам и решение о сухом/влажном состоянии часто имеют большее значение, чем несколько дополнительных оборотов в минуту.

Программируемость и автоматизация

В современных лабораторных планетарных шлифовальных машинах используются цифровые или сенсорные контроллеры, которые сохраняют настройки скорости, времени, направления и паузы в виде именованных программ. Для рутинного анализа это устраняет изменчивость оператора; для исследований он позволяет тестировать и повторять циклы с переменным направлением и интервалами охлаждения. Автоматическая блокировка крышки, таймеры работы и сообщения об ошибках при перегрузке или дисбалансе снижают риск повреждения и прерывания работы, которую необходимо повторить.

Техническое обслуживание и перекрестное загрязнение

Изнашивающихся деталей немного: приводные ремни, хомуты, подшипники и, прежде всего, стаканы и шарики. Ремни и зажимы легко осматривать, а банки можно чистить в ультразвуковой ванне или мыть и сушить. Перекрестное загрязнение контролируется путем присвоения набора банок и шариков определенному семейству материалов — один набор для почвы, другой для керамики, третий для материалов аккумуляторов — и путем выбора материала банки, который тверже образца. Запечатанные банки также удерживают пыль внутри, что является большим преимуществом, когда порошок токсичен, радиоактивен или просто ценен.

Применение и советы по выбору

Лабораторные планетарные мельницы используются везде, где необходимо приготовить небольшое количество порошка определенной крупности. В геологии и горном деле готовят пробы горных пород и руд для анализа и минералогии; в цементной и керамической промышленности измельчают клинкер, фритты и сырьевые смеси; в металлургии и порошковой металлургии измельчают сплавы и получают механически легированные порошки; в химии они поддерживают исследования катализа, пигментов и полимеров; в энергетических исследованиях они обрабатывают катодные и анодные материалы для батарей, а в экологических и сельскохозяйственных лабораториях гомогенизируют образцы почвы, отложений, растений и кормов. Фармацевтические, пищевые, судебно-медицинские и биологические лаборатории используют одну и ту же платформу, иногда с мягкими банками или при низкой температуре, для гомогенизации тканей и волокон.

Таким образом, выбор машины — это вопрос соответствия четырех факторов рабочей нагрузке. Для общей аналитической лаборатории настольная установка с четырьмя станциями с банками среднего размера (100–250 мл) и набором банок из агата, циркония и нержавеющей стали подходит для большинства рутинных проб. Для спектроскопических работ, где загрязнение имеет решающее значение, отдайте предпочтение агатовым, циркониевым или карбид-вольфрамовым банкам и соответствующим шарикам и примите более низкую скорость измельчения. Для наномасштабных исследований обычно наиболее продуктивным маршрутом является высокоскоростная модель с небольшими банками, шариками диаметром 1–3 мм и мокрым измельчением с диспергатором. Для мягких, волокнистых или термочувствительных материалов ищите низкотемпературную или полнонаправленную конфигурацию, а также банки из агата или ПТФЭ. В любом случае закладывайте банки и шарики в качестве расходных материалов — именно они определяют как достижимую крупность, так и чистоту конечного порошка. Подробный обзор вариантов банок и шариков для планетарная шлифовальная машина для лабораторий доступен на странице продукта.

Часто задаваемые вопросы

Сколько времени обычно занимает шлифовка?

Большинство обычных проб достигают необходимой крупности за 5–30 минут. Мягкие или пластичные материалы могут потребовать более длительных циклов с паузами на охлаждение, а субмикронное влажное шлифование твердой керамики может занять от одного до нескольких часов. Время измельчения следует устанавливать путем проверки размера частиц, а не по привычке, поскольку чрезмерное измельчение приводит к потере энергии и может вызвать агломерацию или загрязнение.

Должен ли я измельчать влажный или сухой?

Сухое измельчение готовится быстрее и не требует этапа сушки, но мелкие порошки имеют тенденцию покрывать банку и повторно агломерироваться. Мокрое измельчение с использованием подходящего растворителя улучшает тонкость и воспроизводимость, сохраняет диспергирование порошка и снижает образование пыли; компромиссом является дополнительный этап сушки и обработки растворителем.

Насколько тонко можно измельчить лабораторную планетарную шлифовальную машину?

Из предварительно измельченного сырья размером в несколько миллиметров обычно используются порошки размером 10–100 мкм, при оптимизированных параметрах вполне реален размер около 1 мкм, а для хрупких материалов во мокром режиме возможны субмикронные результаты. Практический предел для данного образца определяется его твердостью и допустимым уровнем загрязнения из банок и шариков.

Может ли он работать с термочувствительными образцами?

Да, при правильном подходе. Низкотемпературные конфигурации и конфигурации с жидким азотом или просто короткие интервалы измельчения, разделенные паузами на охлаждение, предохраняют чашу от перегрева. Мягкие, эластичные материалы, которые деформируются при комнатной температуре, часто становятся хрупкими при охлаждении, а затем нормально измельчаются.

Чем отличается планетарная мельница от баночной мельницы?

Мельница для банок просто поворачивает банки на бок, так что шарики кувыркаются и падают под действием силы тяжести; он мягкий, тихий и подходит для смешивания и измельчения больших объемов или в течение длительного времени. Планетарная дробилка добавляет встречное вращение чашек, которое умножает энергию, передаваемую наполнителю, и производит гораздо более мелкие порошки за гораздо меньшее время, но за счет более высокого шума, нагрева и износа.

Ссылка

Информацию о продукте, вариантах банок и технические характеристики этой машины можно найти на сайте планетарная шлифовальная машина для лабораторий страница продукта.