Máy mài hành tinh trong phòng thí nghiệm là gì? Máy nghiền để bàn để nghiền bột Nano

Máy mài hành tinh trong phòng thí nghiệm là gì?

Về cốt lõi, máy nghiền hành tinh trong phòng thí nghiệm là một máy nghiền để bàn nhỏ gọn được các phòng thí nghiệm sử dụng để nghiền các mẻ vật liệu rắn nhỏ thành bột mịn và siêu mịn. Nó thuộc họ máy nghiền bi hành tinh, và tên của nó mô tả chuyển động của các cối nghiền: mỗi cối quay quanh trục riêng của nó trong khi đĩa mang nó quay theo hướng ngược lại, cách các hành tinh quay quanh mặt trời. Do mẫu được xử lý giữa các viên bi cứng bên trong bình kín nên quá trình nghiền diễn ra nhanh, có thể lặp lại và phù hợp với các vật liệu đắt tiền, hiếm, độc hại hoặc nhạy cảm với không khí.

Thiết bị này trả lời một câu hỏi rất thực tế: làm thế nào bạn có thể sản xuất một loại bột có kích thước từ vài gam đến vài trăm gam mà không làm nhiễm bẩn nó? Máy nghiền hành tinh trong phòng thí nghiệm được sử dụng để chuẩn bị các mẫu khoáng, gốm, xi măng, kim loại, polymer và sinh học trước nhiễu xạ tia X, huỳnh quang tia X, quang phổ, phân tích kích thước hạt, kính hiển vi hoặc thử nghiệm cơ học. Các lọ của nó có thể được đậy kín bên trong hộp đựng găng tay để thực hiện công việc không cần oxy, chứa đầy dung môi để nghiền ướt hoặc làm lạnh đối với các vật liệu mềm và đàn hồi không bị vỡ ở nhiệt độ phòng. Tóm lại, đây là công cụ để bàn tiêu chuẩn để biến một mẫu thô, không đồng nhất thành bột đồng nhất mà một công cụ phân tích có thể tin cậy.

Nguyên tắc làm việc: Làm thế nào các hạt thô trở thành bột mịn

Chuyển động của hành tinh và nguồn gốc của năng lượng nghiền

Các cối nghiền được kẹp vào một giá đỡ quay, thường được gọi là đĩa mặt trời. Khi đĩa quay, mỗi bình quay quanh tâm máy, đồng thời quay quanh trục của chính nó thông qua dây đai hoặc bộ truyền bánh răng. Hai chuyển động quay ngược chiều nhau nên chuyển động của bình là sự kết hợp giữa chuyển động quay và chuyển động quay; đây chính xác là hình dạng mang lại tên hành tinh cho thiết bị.

Vì chiếc bình đang được chuyển động quanh một vòng tròn trong khi nó quay quanh trục riêng của nó nên trường ly tâm bên trong nó thay đổi liên tục cả về hướng và độ lớn. Những quả bóng bị ép vào thành ngoài của bình tại một thời điểm sau đó sẽ bị ném về phía bên trong, và sự tương tác giữa thành bình và các quả bóng giữ cho điện tích chuyển động hỗn loạn liên tục. So với máy nghiền dạng bình quay đơn giản có cùng kích thước, chuyển động kép này truyền động năng nhiều hơn đáng kể đến vật liệu nghiền trên một đơn vị thời gian, đó là lý do tại sao máy nghiền hành tinh có thể đạt được bột có kích thước micromet trong vòng vài phút thay vì hàng giờ.

Tác động và ma sát: hai cơ chế mài

Bên trong cối, các viên bi nghiền được nâng lên nhờ vách xoay, di chuyển dọc theo bề mặt cong rồi thả ra hoặc lăn về phía đối diện. Vật liệu bị kẹt giữa quả bóng và thành bình bị ứng suất do nén; vật liệu bị ép giữa hai quả bóng chuyển động với tốc độ khác nhau bị ứng suất bởi lực cắt và ma sát. Cả hai cơ chế này hoạt động đồng thời và tỷ lệ của chúng phụ thuộc vào tốc độ quay, kích thước và mật độ của các quả bóng cũng như mức độ đổ đầy của bình.

Các vật liệu cứng, giòn như thạch anh, corundum, clinker xi măng, thủy tinh và silicon chủ yếu vỡ khi va chạm, tạo ra các mảnh có cạnh sắc được tinh chế dần dần khi tiếp tục nghiền. Các vật liệu mềm hơn hoặc dẻo hơn - kim loại, polyme, mô thực vật - biến dạng hơn là vỡ vụn, vì vậy chúng phụ thuộc nhiều hơn vào ma sát và lực cắt; nếu chúng đủ dẻo, chúng có thể được hàn nguội thành từng mảnh thay vì vỡ, đó là lý do tại sao chúng thường được yêu cầu nghiền lạnh hoặc nghiền ướt. Dù cơ chế nào chiếm ưu thế thì mục tiêu thực tế đều giống nhau: tạo ra các bề mặt đứt gãy mới nhanh hơn tốc độ các hạt mịn có thể kết tụ lại.

Các thông số quy trình kiểm soát bột cuối cùng

Năm thông số quyết định thứ gì sẽ ra khỏi lọ. Đầu tiên là tốc độ quay: năng lượng truyền đến các viên bi tăng mạnh theo tốc độ, do đó việc tăng gấp đôi tốc độ có thể rút ngắn đáng kể thời gian nghiền, nhưng nó cũng làm tăng nhiệt độ bên trong cối và làm tăng độ mài mòn của cối và bi. Thứ hai là tỷ số giữa chuyển động quay của đĩa mặt trời và chuyển động quay của các bình, làm thay đổi quỹ đạo của các quả bóng và do đó làm thay đổi sự cân bằng giữa va chạm và ma sát.

Thứ ba là tỷ lệ bóng-bột, thường được biểu thị bằng trọng lượng. Tỷ lệ khoảng 5:1 và 20:1 là điển hình cho công việc trong phòng thí nghiệm; tỷ lệ cao hơn sẽ nghiền nhanh hơn nhưng để lại ít chỗ cho mẫu hơn. Thứ tư là sự phân bố kích thước của các quả bóng: những quả bóng lớn phá vỡ các hạt thô một cách hiệu quả, trong khi những quả bóng nhỏ tạo ra bột tốt nhất, do đó, sự kết hợp các đường kính thường là sự dung hòa tốt nhất. Thứ năm là mức độ đổ đầy của bình - nguyên tắc chung là một phần ba quả bóng, một phần ba mẫu và một phần ba không gian trống để điện tích có đủ chỗ để di chuyển.

Điều quan trọng nữa là quá trình này khô hay ướt. Nghiền khô rất đơn giản và giữ cho bột không chứa dung môi, nhưng các hạt mịn có xu hướng bám vào thành và quả bóng và kết tụ lại. Nghiền ướt bằng nước, etanol, isopropanol hoặc chất lỏng thích hợp khác sẽ phân tán các hạt, ngăn ngừa sự kết tụ, cải thiện độ mịn có thể đạt được và giảm bụi, mặc dù có thêm bước sấy khô. Đối với các mẫu nhạy cảm với nhiệt, khoảng thời gian nghiền ngắn với các khoảng dừng làm mát — một tính năng được lập trình trên hầu hết các máy nghiền hành tinh trong phòng thí nghiệm hiện đại — sẽ hiệu quả hơn so với một lần mài dài.

Các thành phần và cấu hình cốt lõi

Bình nghiền

Bình nghiền vừa là buồng xử lý vừa là vật tư tiêu hao chính. Nó phải cứng hơn mẫu để tránh bị mài mòn quá mức, tương thích về mặt hóa học với mẫu và dung môi và ổn định nhiệt. Lọ mã não là sự lựa chọn cổ điển cho công việc quang phổ nhạy cảm với ô nhiễm; lọ zirconia và corundum (alumina) mang lại mật độ và độ cứng cao hơn cho gốm sứ và khoáng sản; lọ bằng thép không gỉ có độ bền cao và chống va đập đối với kim loại và mục đích sử dụng thông thường; và lọ nylon, PTFE hoặc polyurethane được sử dụng cho các mẫu mềm, dính hoặc sinh học và để đồng nhất hóa nhẹ nhàng. Lọ chân không cho phép xay mà không cần không khí.

Bóng mài và vật liệu mài

Các quả bóng được chọn để phù hợp với vật liệu bình và kích thước hạt mục tiêu. Các bi zirconia, mã não, corundum và cacbua vonfram được ưu tiên khi phải giảm thiểu ô nhiễm, trong khi các bi mài bằng thép không gỉ, bao gồm các loại thép không gỉ 304, được sử dụng rộng rãi để mài thông thường vì chúng cứng, đặc và tiết kiệm. Đường kính quả bóng thường dao động từ 3 mm đến 20 mm và một điện tích thông thường có thể trộn lẫn hai hoặc ba kích cỡ. Bởi vì các quả bóng liên tục va chạm với nhau và với thành bình, cả vật liệu và bình đều bị mòn theo thời gian; vật liệu mài mòn sẽ đọng lại trong bột, vì vậy việc chọn lọ cứng hơn mẫu là nguyên tắc đầu tiên khi lựa chọn vật liệu.

Hệ thống đĩa, dẫn động và điều khiển mặt trời

Trái tim cơ học của máy là đĩa mặt trời và bộ truyền động của nó. Một động cơ quay đĩa thông qua dây đai hoặc bộ truyền bánh răng, và bộ truyền động tương tự làm cho các lọ quay ngược chiều. Đĩa phải được cân bằng động vì tải không cân bằng ở tốc độ vài trăm vòng quay mỗi phút sẽ tạo ra rung động, tiếng ồn và hỏng ổ trục sớm. Phía trên lọ có thiết bị kẹp, nắp an toàn và công tắc khóa liên động để dừng máy nếu nắp bị mở trong khi chạy. Bảng điều khiển - ngày càng trở thành màn hình cảm ứng - đặt tốc độ, thời gian chạy, hướng, khoảng thời gian tạm dừng và chu kỳ lặp lại, đồng thời lưu trữ các chương trình để có thể sao chép cùng một công thức nhiều tháng sau đó.

Cấu hình chung của máy mài hành tinh trong phòng thí nghiệm

Máy mài hành tinh trong phòng thí nghiệm có nhiều cấu hình thực tế hơn là một mẫu cố định duy nhất. Các thiết bị để bàn thẳng đứng có hai hoặc bốn trạm nghiền là loại phổ biến nhất trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu, vì chúng cho phép xử lý hai hoặc bốn mẫu song song trong các điều kiện giống nhau. Các mô hình toàn hướng bổ sung thêm chuyển động ba chiều của đĩa mặt trời, giúp cải thiện việc trộn và hỗ trợ các mẫu có xu hướng lắng xuống hoặc đóng bánh. Các phiên bản nitơ lỏng và nhiệt độ thấp được thiết kế cho polyme, mô sinh học và các vật liệu đàn hồi hoặc nhạy cảm với nhiệt khác, trong khi các mô hình vi mô có lọ nhỏ phù hợp với số lượng chỉ vài gam.

Các chỉ số hiệu suất chính và điểm lựa chọn

Công suất và kích thước lô

Dung tích thường được biểu thị bằng thể tích bình trên mỗi trạm nghiền - ví dụ 50 mL, 100 mL, 250 mL, 500 mL hoặc 1 L. Mẫu có thể sử dụng nhỏ hơn nhiều so với thể tích bình, khoảng một phần ba thể tích của nó, vì các viên bi và không gian trống cũng phải vừa khít. Do đó, một máy bốn trạm có lọ 250 mL xử lý bốn mẫu, mỗi mẫu khoảng 60–80 mL mỗi lần chạy. Số lượng trạm nào là đúng tùy thuộc vào khối lượng công việc: một thiết bị một trạm là đủ để thỉnh thoảng mài, trong khi máy bốn trạm là hệ số nhân thông lượng thực sự trong phòng thí nghiệm phân tích bận rộn.

Độ mịn và khả năng tái tạo có thể đạt được

Nguyên liệu thức ăn thường phải được nghiền trước đến vài mm. Từ đó, một máy nghiền hành tinh trong phòng thí nghiệm có thể dễ dàng đạt tới kích thước 10–100 µm và với tốc độ, môi trường và thời gian được tối ưu hóa, nó có thể tạo ra bột có kích thước khoảng 1 µm; Kết quả thực sự dưới micron có thể đạt được đối với các vật liệu giòn, đặc biệt là ở chế độ ướt. Quan trọng hơn kết quả tốt nhất duy nhất là khả năng tái lập: cùng một bình, môi trường, tỷ lệ, tốc độ và thời gian phải cho cùng sự phân bố kích thước hạt ở mọi thời điểm. Đây là lý do tại sao việc điều khiển theo chương trình và hệ thống kẹp bình ổn định lại quan trọng đối với phòng thí nghiệm kiểm soát chất lượng cũng như tốc độ tối đa đối với nhóm nghiên cứu.

Tốc độ, năng lượng và hiệu quả

Tốc độ quay tối đa, công suất động cơ và tỷ số truyền là những con số để so sánh. Tốc độ cao hơn có nghĩa là thời gian nghiền ngắn hơn và bột mịn hơn, nhưng nó cũng có nghĩa là nhiều nhiệt hơn, mài mòn nhiều hơn và nhiều tiếng ồn hơn, do đó, máy đạt tốc độ rất cao không hẳn là lựa chọn tốt hơn cho mẫu nhạy nhiệt. Câu hỏi về hiệu quả thực tế là cần bao nhiêu năng lượng điện và bao nhiêu thời gian vận hành để đạt được độ mịn nhất định với mức độ nhiễm bẩn có thể chấp nhận được - và ở đây vật liệu bình, phân bố kích thước bi và quyết định khô/ướt thường quan trọng hơn một vài vòng quay mỗi phút.

Khả năng lập trình và tự động hóa

Máy mài hành tinh trong phòng thí nghiệm hiện đại sử dụng bộ điều khiển kỹ thuật số hoặc màn hình cảm ứng để lưu trữ các cài đặt tốc độ, thời gian, hướng và tạm dừng dưới dạng các chương trình được đặt tên. Đối với phân tích thông thường, điều này loại bỏ sự biến thiên của người vận hành; đối với nghiên cứu, nó cho phép thử nghiệm và lặp lại các chu kỳ có hướng và khoảng thời gian làm mát xen kẽ. Tự động khóa nắp, hẹn giờ chạy và thông báo lỗi do quá tải hoặc mất cân bằng giúp giảm nguy cơ hư hỏng và chạy lại bị gián đoạn.

Bảo trì và lây nhiễm chéo

Rất ít bộ phận bị mòn: đai truyền động, kẹp, vòng bi và trên hết là lọ và bi. Thắt lưng và kẹp rất dễ kiểm tra và lọ có thể được làm sạch trong bể siêu âm hoặc rửa sạch và sấy khô. Sự lây nhiễm chéo được kiểm soát bằng cách dành một bộ lọ và quả bóng cho một họ vật liệu - một bộ dành cho đất, một bộ dành cho gốm sứ, một bộ khác dành cho vật liệu pin - và bằng cách chọn vật liệu lọ cứng hơn mẫu. Lọ kín còn giữ bụi bên trong, đây là một lợi thế thực sự khi bột độc hại, có tính phóng xạ hoặc đơn giản là có giá trị.

Tư vấn ứng tuyển và lựa chọn

Máy nghiền hành tinh trong phòng thí nghiệm xuất hiện ở bất cứ nơi nào cần phải chuẩn bị một lượng nhỏ bột đến độ mịn xác định. Trong lĩnh vực địa chất và khai thác mỏ, họ chuẩn bị các mẫu đá và quặng để khảo nghiệm và khoáng vật học; trong ngành công nghiệp xi măng và gốm sứ, họ nghiền clinker, frit và hỗn hợp thô; trong luyện kim và luyện kim bột, họ nghiền hợp kim và sản xuất bột hợp kim cơ học; trong hóa học, họ hỗ trợ nghiên cứu xúc tác, sắc tố và polyme; trong nghiên cứu năng lượng, họ xử lý vật liệu cực âm và cực dương cho pin, đồng thời trong các phòng thí nghiệm môi trường và nông nghiệp, họ đồng nhất hóa các mẫu đất, trầm tích, thực vật và thức ăn chăn nuôi. Các phòng thí nghiệm dược phẩm, thực phẩm, pháp y và sinh học sử dụng cùng một nền tảng, đôi khi với các lọ mềm hoặc vận hành ở nhiệt độ thấp để đồng nhất hóa mô và sợi.

Do đó, việc chọn một chiếc máy là vấn đề kết hợp bốn yếu tố với khối lượng công việc. Đối với phòng thí nghiệm phân tích tổng hợp, một thiết bị để bàn gồm bốn trạm với các lọ cỡ trung bình (100–250 mL) và một bộ lọ bằng mã não, zirconia và thép không gỉ sẽ bao phủ hầu hết các mẫu thông thường. Đối với công việc đo quang phổ trong đó mức độ nhiễm bẩn là nghiêm trọng, hãy ưu tiên các lọ bằng mã não, zirconia hoặc cacbua vonfram và các quả bóng phù hợp, đồng thời chấp nhận tốc độ mài thấp hơn. Đối với nghiên cứu ở quy mô nano, mô hình tốc độ cao với các lọ nhỏ, bi 1–3 mm và nghiền ướt bằng chất phân tán thường là phương pháp hiệu quả nhất. Đối với các vật liệu mềm, dạng sợi hoặc nhạy cảm với nhiệt, hãy tìm cấu hình nhiệt độ thấp hoặc cấu hình toàn hướng và lọ mã não hoặc PTFE. Trong mọi trường hợp, hãy dành ngân sách cho lọ và quả bóng làm vật tư tiêu hao - chúng là những bộ phận quyết định cả độ mịn có thể đạt được và độ tinh khiết của bột cuối cùng. Tổng quan chi tiết về các tùy chọn bình và bóng cho máy nghiền hành tinh phòng thí nghiệm có sẵn trên trang sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

Quá trình mài thường mất bao lâu?

Hầu hết các mẫu thông thường đều đạt được độ mịn cần thiết trong vòng 5 đến 30 phút. Các vật liệu mềm hoặc dẻo có thể cần chu kỳ dài hơn với các khoảng dừng làm mát và quá trình mài ướt dưới micron đối với gốm cứng có thể mất từ ​​​​một đến vài giờ. Thời gian nghiền nên được thiết lập bằng cách kiểm tra kích thước hạt chứ không phải theo thói quen, vì nghiền quá sẽ lãng phí năng lượng và có thể gây ra sự kết tụ hoặc ô nhiễm.

Nên xay ướt hay khô?

Nghiền khô được chuẩn bị nhanh hơn và không cần bước sấy khô, nhưng bột mịn có xu hướng phủ lên lọ và kết tụ lại. Nghiền ướt bằng dung môi thích hợp giúp cải thiện độ mịn và độ tái lập, giữ cho bột được phân tán và kiểm soát bụi; sự đánh đổi là một bước làm khô và xử lý dung môi bổ sung.

Máy mài hành tinh trong phòng thí nghiệm có thể xay tốt đến mức nào?

Từ thức ăn được nghiền trước có kích thước vài mm, bột có kích thước 10–100 µm là thông thường, khoảng 1 µm là thực tế với các thông số được tối ưu hóa và có thể đạt được kết quả dưới micron đối với các vật liệu giòn ở chế độ ướt. Giới hạn thực tế cho một mẫu nhất định được xác định bởi độ cứng của nó và mức độ nhiễm bẩn từ lọ và quả bóng có thể chấp nhận được.

Nó có thể xử lý các mẫu nhạy cảm với nhiệt không?

Có, với cách tiếp cận đúng đắn. Cấu hình nhiệt độ thấp và nitơ lỏng hoặc đơn giản là khoảng thời gian xay ngắn được phân tách bằng các khoảng dừng làm mát, giúp bình không bị quá nóng. Những vật liệu mềm, đàn hồi, biến dạng ở nhiệt độ phòng thường trở nên giòn khi để lạnh và sau đó xay bình thường.

Sự khác biệt giữa máy nghiền hành tinh và máy nghiền bình là gì?

Máy nghiền lọ chỉ đơn giản là xoay lọ về phía chúng, để các quả bóng rơi xuống dưới tác dụng của trọng lực; nó nhẹ nhàng, yên tĩnh và phù hợp với việc trộn và nghiền khối lượng lớn hoặc thời gian dài. Máy nghiền hành tinh bổ sung thêm khả năng quay ngược chiều của lọ, giúp tăng gấp đôi năng lượng truyền đến vật liệu và tạo ra bột mịn hơn nhiều trong thời gian ngắn hơn nhiều, với chi phí cao hơn là tiếng ồn, nhiệt và mài mòn.

Thẩm quyền giải quyết

Thông tin sản phẩm, tùy chọn bình và thông số kỹ thuật cho máy này có sẵn trên máy nghiền hành tinh phòng thí nghiệm trang sản phẩm.