Planeten-Kugelmühlen Pulverisierung mit hohem Energieeintrag

Planeten-Kugelmühlen - Funktionsprinzip

In einer Planeten-Kugelmühle stellt jeder Mahlbecher einen "Planeten" dar. Dieser Planet befindet sich auf einer kreisförmigen Plattform, dem sogenannten Sonnenrad. Wenn sich das Sonnenrad dreht, rotiert der Mahlbecher um seine eigene Achse, jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Dadurch werden Zentrifugal- und Corioliskräfte aktiviert, die zu einer starken Beschleunigung der Mahlkugeln führen. Dadurch entsteht eine sehr hohe Zerkleinerungsenergie, die erforderlich ist, um sehr feine Partikel zu erhalten. Die enorme Beschleunigung der Mahlkugeln von einer Becherwand zur anderen erzeugt eine starke Schlagwirkung auf das Probenmaterial und führt zu zusätzlichen Zerkleinerungseffekten durch Reibung.

Bei der Kolloidvermahlung und den meisten anderen Anwendungen beträgt das Verhältnis zwischen der Drehzahl des Sonnenrades und der Drehzahl des Mahlbechers 1: -2, d. h. bei einer Umdrehung des Sonnenrades dreht sich der Mahlbecher zweimal in die entgegengesetzte Richtung. Dieses Drehzahlverhältnis findet man bei den meisten Planeten-Kugelmühlen. Planeten-Kugelmühlen mit höherem Energieeintrag und einem Drehzahlverhältnis von 1:-2,5 oder sogar 1:-3 werden hauptsächlich für mechanochemische Anwendungen eingesetzt.

Planeten-Kugelmühlen - Werkstoffe für Mahlwerkzeuge

Auswahl des am besten geeigneten Werkstoffs

Wird beispielsweise eine Probe auf ihren Schwermetallgehalt untersucht, könnte durch den Abrieb von Mahlbecher und Kugeln aus Stahl Chrom in die Probe gelangen, was zu verfälschten Analyseergebnissen führen würde. Daher sollte ein metallfreies Material wie Zirkonoxid gewählt werden. Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist der Einfluss des Mahlwerkzeugs auf die Mahlleistung. Hier sind zwei Aspekte von Bedeutung:

• Energieaufwand (bezogen auf die Dichte des Materials)
• Härte des Werstoffs

Energieeintrag

Der Energieeintrag steigt mit zunehmender Dichte eines Materials. Bei Werkstoffen mit hoher Dichte, wie z. B. Wolframcarbid, ist die Beschleunigung der Mahlkugeln bei einer bestimmten Geschwindigkeit höher als bei Materialien mit geringerer Dichte. Die Kugel trifft also mit höherem Energieeintrag auf die Probe, folglich ist auch die Zerkleinerungswirkung höher. Dieser Effekt ist für die Zerkleinerung hart-spröder Proben von Vorteil.

Bei weichen Probenmaterialien hingegen kann ein zu hoher Energieeintrag eine effektive Zerkleinerung verhindern. In solchen Fällen wird die Probe nicht wirklich zu einem feinen Pulver vermahlen, sondern bildet eine Schicht, die an den Becherwänden klebt und die Mahlkugeln bedeckt. Eine Homogenisierung ist auf diese Weise nicht möglich, die Rückgewinnung der Probe schwierig. Für weiche Probenmaterialien sind andere Mühlentypen, wie zum Beispiel Rotormühlen, besser geeignet.

Härte

Um einen Werkstoff mit geeigneter Härte zu finden, ist die Überlegung einfach: Das Material muss härter sein als die Probe. Ist es weniger hart, könnten die Mahlkugeln von den Partikeln des Probenmaterials zermahlen werden.

Mahlwerkzeuge aus unterschiedlichen Werkstoffen

Es ist nicht empfehlenswert, Mahlwerkzeuge aus unterschiedlichen Werkstoffen zu verwenden, z. B. einen Becher aus Stahl mit Kugeln aus Zirkonoxid. Erstens beeinflusst der Abrieb beider Materialien das Analysenergebnis, und zweitens erhöht sich der Verschleiß der Mahlwerkzeuge.

Planeten-Kugelmühlen - Empfohlene Mahlbecherfüllungen

Für Trockenvermahlungen

Bei der Trockenvermahlung werden die besten Ergebnisse mit der so genannten Drittel-Regel erzielt. Dies bedeutet, dass etwa ein Drittel des Bechervolumens mit Mahlkugeln gefüllt werden sollte. Nach dieser Regel gilt: Je kleiner die Kugeln, desto höher die Anzahl, um ein Drittel des Bechers zu füllen. Ein weiteres Drittel des Bechervolumens sollte mit Probenmaterial gefüllt werden. Das verbleibende Drittel ist Freiraum, damit sich die Kugeln im Inneren bewegen können, um die erforderliche Zerkleinerungsenergie für eine schnelle Zerkleinerung der Probe zu erreichen. Gleichzeitig befindet sich genügend Probenmaterial in den Bechern, um Verschleiß zu vermeiden.

<sup>1. Ein Drittel Freiraum
2. Ein Drittel Probe
3. Ein Drittel Mahlkugeln</sup>

Für faserige Proben

Bei faserigen Proben oder Materialien, die bei der Zerkleinerung stark an Volumen verlieren, ist ein höherer Probenfüllstand ratsam. Es muss ausreichend Probenmaterial im Mahlbecher sein, um den Verschleiß zu minimieren. Gegebenenfalls kann nach einigen Minuten Probenmaterial nachgefüllt werden, um das erforderliche Mindestvolumen zu erhalten. 

<sup>1. Zwei Drittel Probe
2. Ein Drittel Mahlkugeln</sup>

Für die Nassvermahlung

Um Partikelgrößen bis zu 100 nm oder weniger zu erzeugen, sind Nassvermahlung und Reibung statt Schlag erforderlich. Dies wird durch die Verwendung vieler kleiner Mahlkugeln mit einer großen Oberfläche und vielen Reibungspunkten erreicht. Daher wird der für Trockenmahlverfahren empfohlene Füllgrad von einem Drittel durch die 60 %-Regel ersetzt, d. h. 60 % des Bechers sind mit kleinen Kugeln gefüllt. Die Probenmenge sollte ca. 30 % betragen. Zunächst werden die kleinen Kugeln in die Becher gegeben (nach Gewicht!), dann wird die Probe hinzugefügt und gemischt. Zum Schluss wird die Dispergierflüssigkeit sorgfältig beigemischt.

<sup>1. Ein Sechstel bis ein Drittel Probe + Flüssigkeit
2. Zwei Drittel Mahlkugeln</sup>

Wie man die passende Mahlkugelgröße auswählt

Eine weitere Faustregel besagt, dass die Mahlkugeln mindestens dreimal so groß sein sollten wie das größte Probenstück. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Kugeln die Probe schnell zerkleinern können.

Um die geeignete Kugelgröße für die gewünschte Endfeinheit zu finden, kann in der Regel ein Faktor von etwa 1000 angesetzt werden. Wird eine Korngröße von 30 µm (D90) angestrebt, liegt die optimale Kugelgröße zwischen 20 mm und 30 mm. Werden kleinere Partikel benötigt, müssen die Kugeln entfernt und für einen zweiten Prozessschritt durch kleinere ersetzt werden.

Da größere Kugeln kleinere zerkleinern könnten, ist es nicht ratsam, verschiedene Kugelgrößen in einem Mahlprozess zu kombinieren. 

Nass- und Nanovermahlungen in Planeten-Kugelmühlen

Die Nanotechnologie befasst sich mit Partikeln in einem Bereich von 1 bis 100 nm. Diese Partikel besitzen aufgrund ihrer Größe besondere Eigenschaften, da ihre Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen stark vergrößert ist (so genannte "größeninduzierte Funktionalitäten"). Ultrafeine Partikel sind z. B. härter und bruchfester als größere Partikel.

Bei der Trockenvermahlung kann die Partikelgröße einer Probe nur bis zu einem gewissen Grad verringert werden, da kleine Partikel dazu neigen, sich an der Oberfläche aufzuladen und zu verklumpen. Daher wird eine Flüssigkeit oder ein Dispergiermittel verwendet, um die Partikel getrennt zu halten. Salzlösungen werden verwendet, um die Oberflächenladungen zu neutralisieren. Langkettige Moleküle in der Flüssigkeit können die Partikel dank sterischer Hinderung separieren.

Aufgrund ihrer im Verhältnis zum Volumen stark vergrößerten Oberfläche werden kleine Teilchen durch ihre elektrostatischen Ladungen zueinander hingezogen. Eine Neutralisierung der Oberflächenladungen ist nur durch Zugabe eines Puffers (elektrostatische Stabilisierung, links) oder durch Zugabe langkettiger Moleküle (sterische Stabilisierung, rechts) möglich.

Einsatz von Planeten-Kugelmühlen für das Co-Kristall Screening

Co-Kristalle sind feste Materialien, die aus zwei oder mehr molekularen Komponenten bestehen. Unter Co-Kristall Screening versteht man die Identifizierung geeigneter Co-Former, die mit einem Zielmolekül stabile und erwünschte Co-Kristalle bilden. Das Co-Kristall Screening wird zur Verbesserung der physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Löslichkeit oder Stabilität von z. B. Arzneimitteln oder Agrochemikalien eingesetzt. Mit einem speziellen Adapter kann das Co-Kristall-Screening in einer Planeten-Kugelmühle unter Verwendung von Einwegfläschchen wie 1,5 ml GC-Glasfläschen durchgeführt werden. In der Regel werden einige 3 mm oder 4 mm große Stahlkugeln verwendet, um die Substanzen bei niedriger bis mittlerer Geschwindigkeit zu mischen. Falls erforderlich, werden einige µl Lösungsmittel zugegeben. Der Prozess ist in der Regel in 30-120 min abgeschlossen.

Der Adapter verfügt über 24 Positionen, die sich auf einen äußeren Ring mit 16 Positionen und einen inneren Ring mit 8 Positionen verteilen. Der äußere Ring nimmt bis zu 16 Gefäße auf, so dass bei Verwendung der Planeten-Kugelmühle PM 400 bis zu 64 Proben gleichzeitig gescreent werden können. Die 8 Positionen des inneren Rings eignen sich zur Durchführung von Versuchen mit unterschiedlichem Energieeintrag, z. B. für die Mechanosyntheseforschung.

Da die Gefäße aus Glas bestehen, sollte die Drehzahl der Mühle sorgfältig gewählt werden, wir empfehlen maximal 500 min^-1 bei der PM 300 und 550 min^-1 bei der PM 100. Die maximale Drehzahl von 400 min^-1 bei der PM 400 ist unkritisch.

Für das Co-Kristall Screening ist ein hoher Energieeintrag, der durch eine hohe Drehzahl erzeugt wird, nachteilig, da dies zu Veränderungen der chemischen Verbindungen der Substanzen führen kann. Daher werden optimale Ergebnisse bei niedrigen und mittleren Drehzahlen erzielt.