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行星式球磨仪 高能量输入粉碎

行星式球磨仪满足并超过快速、可重复性研磨到精确分析的所有需求,从常规的样品加工到胶体研磨和先进的材料开发,它们被用于实验室中最严苛的任务。

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行星式球磨仪-功能原理

在行星式球磨机中,每个罐子代表一个 "行星"。这颗行星位于一个圆形平台上,即所谓的太阳轮。当太阳轮转动时,罐子绕自身轴线旋转,但方向相反。因此,离心力和科里奥利力被激活,导致研磨球迅速加速。其结果是产生极细颗粒所需的粉碎能量非常高。

对于胶体研磨和大多数其他应用,太阳轮的速度与研磨罐的速度之比为 1:-2。 这意味着太阳轮旋转一圈,研磨罐就会朝相反方向旋转两圈。这种速度比在一般行星式球磨机中非常常见。能量输入较高、转速比为 1:-2.5 甚至 1:-3 的行星式球磨机主要用于机械化学应用。

行星式球磨仪-应用领域

行星式球磨仪可用于干式和湿式软、硬、脆和纤维材料的粉碎。

行星式球磨机非常适合机械化学(机械合成、机械合金化和机械催化)或纳米级超细胶体研磨等研究任务,以及混合和均质等常规任务。另一个应用领域是共晶体的筛选,例如在制药行业。

行星式球磨仪的一个重要优势是用途广泛。它们可提供不同数量的研磨站。罐和球有各种尺寸和材料可供选择;

行星式球磨仪——研磨罐和研磨球材质

如何选择最合适的材料?

例如,如果要对样品进行重金属含量分析,钢制研磨罐和球的磨损可能会将铬带入样品中,从而导致分析结果失真。因此,应选择不含金属的材料,如氧化锆。 另一个需要考虑的问题是工具对研磨效率的影响。这里有两个方面很重要:

  • 能量输入(与材料密度有关)
  • 材料硬度

能量输入

能量输入随着材料密度的增加而增加。如果研磨罐和球的材料密度较高,如碳化钨,那么与密度较低的材料相比,研磨球在给定速度下的加速度较高。这意味着,当球撞击样品时,输入的能量会更高,因此,对于密度较大的材料,粉碎效果会更好。

另一方面,对于软质样品材料,过多的能量输入会阻碍有效的粉碎。在这种情况下,样品并没有真正被粉碎成细粉,而是形成了一层粘在罐壁上并覆盖在研磨球上的粉末。这样就无法实现均质,样品回收也很困难。对于软质样品材料,其他类型的研磨机(如转子研磨机)更为合适。

硬度

要找到硬度合适的罐和球材料,考虑因素很简单:材料的硬度必须高于样品的硬度。如果材料硬度较低,磨球就会被样品材料的颗粒磨碎。

不同材料的研磨工具

不建议使用不同材料的配件。例如钢制研磨罐搭配氧化铵材质的研磨球,首先,两种材料的磨损都会影响分析结果,其次,会加速配件的磨损。

行星式球磨仪 - 推荐的罐装填料

用于干磨

干磨时,通常采用所谓的三分之一规则来获得最佳效果。也就是说,大约三分之一的罐子容积应该装满研磨球。根据这一规则,球越小,就越需要装满三分之一的罐子。另外三分之一的罐子容积应装满样品材料。

根据这一规则,既能提供所需的粉碎能量,又能在罐中装入足够的样品材料以防止磨损;

1.三分之一的自由空间
2.

用于含纤维的样品

对于纤维材料或粉碎后体积急剧下降的材料,建议使用较高的样品填充量。罐中需要有足够的材料以减少磨损。如有必要,可以在几分钟后添加更多材料,以保持所需的最小体积;

1.三分之二的样品
2.

用于湿磨

要生产粒度小至 100 纳米或更小的颗粒,需要湿磨和摩擦,而不是冲击。要做到这一点,需要使用许多表面大、摩擦点多的小球。因此,干法研磨工艺中推荐的三分之一填充量被 60% 规则所取代,即 60% 的罐子中填充小球。样品量应约为 30%。首先将小球加入罐中(按重量计!),然后加入材料并混合。最后仔细混合分散剂液体。

1.六分之一到三分之一的样品 + 液体
2. 三分之二的研磨球

如何选择合适的研磨球尺寸

另一个经验法则是,研磨球应该至少比最大的样品大三倍。这样就保证了研磨球能快速粉碎样品。
要为所需的最终出料粒度找到合适的研磨球尺寸,通常可以应用大约1000倍的系数。如果想要研磨出30 µm(D90),最适合的研磨球尺寸会在20毫米至30毫米之间。如果需要较小的颗粒,则必须更换较小的研磨球代替,以进行第二个工艺步骤。
由于较大的球会压碎较小的球,因此不宜在一个研磨过程中组合使用不同尺寸的研磨球。

行星式球磨仪中的湿法和纳米级研磨

纳米技术涉及 1 至 100 纳米的微粒。这些微粒因其尺寸而具有特殊性质,因为相对于其体积,它们的表面大大增加(即所谓的 "尺寸诱导功能")。

干法研磨只能在一定程度上减小样品的粒度,因为小颗粒表面容易带电并聚集在一起。因此,需要使用液体或分散剂来保持颗粒分离。盐溶液用于中和表面电荷。由于立体阻碍作用,液体中的长链分子可以使颗粒保持分离;

只有通过添加缓冲剂(静电稳定,左图)或添加长链分子(立体稳定,右图)才能中和表面电荷。

利用行星式球磨机进行共晶体筛选

共晶体是由两种或两种以上分子成分组成的固体材料。共晶体筛选是指确定能与目标分子形成稳定、理想共晶体的合适共形物的过程。共晶体筛选可用于改善药物或农用化学品等的理化性质,如溶解性或稳定性。使用特殊的适配器,共晶体筛选可在行星球磨仪中进行,使用的是一次性小瓶,如 1.5 毫升 GC 玻璃小瓶。通常情况下,使用几个 3 毫米或 4 毫米的钢球以低速或中速混合物质。如有需要,可加入几微升溶剂。

适配器有 24 个位置,外环有 16 个位置,内环有 8 个位置。外环最多可容纳 16 个样品瓶,使用行星式球磨仪 PM 400 时可同时筛选多达 64 个样品。内环的 8 个位置适合进行不同能量输入的试验,例如用于机械合成研究。

由于样品瓶是玻璃制成的,因此应谨慎选择研磨机的转速,我们建议 PM 300 的最高转速为 500 转/分钟,PM 100 的最高转速为 550 转/分钟。

对于共晶筛选,高速产生的高能量输入是不利的,因为这可能导致物质的化学成分发生变化。因此,低速和中速时可获得最佳结果。

行星式球磨仪-FAQ

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.