Moinho Planetário de Bolas Pulverização com alta entrada de energia

Moinhos de bolas planetários - princípio de funcionamento

Em um moinho de bolas planetário, cada pote representa um “planeta”. Este planeta está localizado em uma plataforma circular, a chamada roda do sol. Quando a roda do sol gira, o jarro gira em torno de seu próprio eixo, mas na direção oposta. Assim, as forças centrífugas e de Coriolis são ativadas, levando a uma rápida aceleração das esferas de moagem. O resultado é uma energia de pulverização muito alta necessária para produzir partículas muito finas. A enorme aceleração das esferas de moagem de uma parede do jarro para a outra produz um forte efeito de impacto no material da amostra e leva a efeitos adicionais de redução de tamanho por meio do atrito.

Para moagem coloidal e a maioria das outras aplicações, a relação entre a velocidade da roda solar e a velocidade do jarro de moagem é de 1: -2. Isso significa que durante uma rotação da roda solar, o jarro de moagem gira duas vezes na direção oposta. Esta relação de velocidade é muito comum para Moinhos de Bolas Planetários em geral. Moinhos de bolas planetários com maior entrada de energia e uma relação de velocidade de 1:-2,5 ou mesmo 1:-3 são usados ​​principalmente para aplicações mecanoquímicas.

Moinhos de esferas planetários - Materiais para ferramentas de moagem

Como escolher o material mais adequado

Se, por exemplo, uma amostra for analisada quanto ao seu teor de metais pesados, a abrasão de uma ferramenta de moagem de aço pode introduzir cromo na amostra, o que levaria a resultados de análise falsificados. Portanto, um material livre de metal como o óxido de zircônio deve ser selecionado.

Outro ponto a ser considerado é a influência da ferramenta na eficiência de moagem. Aqui dois aspectos são importantes:

• Entrada de energia (relacionada com a densidade do material)
• Dureza do material

Entrada de energia

A entrada de energia cresce com o aumento da densidade de um material. Se um material tem alta densidade, como carboneto de tungstênio, a aceleração das esferas de moagem é maior em uma determinada velocidade em comparação com materiais de menor densidade. Isso significa que o aporte de energia é maior quando a bola atinge a amostra e, consequentemente, o efeito de esmagamento é maior com materiais densos. Este efeito é benéfico para pulverizar amostras duras e quebradiças.

Para materiais de amostra moles, por outro lado, muita energia pode impedir o esmagamento eficaz. Nesses casos, a amostra não é realmente pulverizada em um pó fino, mas forma uma camada que adere às paredes do frasco e cobre as bolas de moagem. A homogeneização não é possível dessa forma e a recuperação da amostra é difícil. Para materiais de amostra moles, outros tipos de moinhos, por exemplo, moinhos de rotor, são mais adequados.

Dureza

Para encontrar um material de ferramenta com dureza adequada, a consideração é simples: o material deve ser mais duro que a amostra. Se o material for menos duro, as bolas de moagem podem ser moídas pelas partículas do material da amostra.

Ferramentas de moagem de materiais diferentes

Não é recomendável o uso de ferramentas de moagem de materiais diferentes, ex. um jarro de aço usado com bolas de óxido de zircônio. Primeiro, a abrasão de ambos os materiais influenciará o resultado analítico e, segundo, o desgaste das ferramentas é aumentado.

Moinhos de bolas planetários - preenchimento recomendado dos jarros de moagem

Para moagem a seco

Para moagem a seco, os melhores resultados geralmente são obtidos com a chamada regra de um terço. Isso significa que aproximadamente um terço do volume do jarro deve ser preenchido com bolas de moagem. Seguindo essa regra, quanto menores forem as bolas, mais deve ser tirada para encher um terço do jarro. Outro terço do volume do frasco deve ser preenchido com material de amostra. O terço restante é espaço livre para permitir o movimento da esfera no interior para atingir a energia de cominuição necessária para pulverização rápida da amostra.

Seguindo esta regra, a energia de moagem necessária é fornecida enquanto, ao mesmo tempo, material de amostra suficiente está nos frascos para evitar o desgaste. 

<sup>1. Um terço de espaço livre
2. Um terço de amostra
3. Um terço de esferas de moagem</sup>

Para amostras fibrosas

Para materiais fibrosos, ou materiais que perdem drasticamente seu volume quando pulverizados, é aconselhável um nível de enchimento de amostra mais alto. Material de amostra suficiente precisa estar no frasco para minimizar o desgaste. Se necessário, é possível adicionar material de amostra após alguns minutos para manter o volume mínimo necessário. 

<sup>1. Duas terços de amostras
2. Um terço de esferas de moagem</sup>

Para moagem úmida

Para produzir tamanhos de partículas de até 100 nm ou menos, é necessário moagem úmida e fricção em vez de impacto. Isto é conseguido usando muitas pequenas esferas de moagem com uma grande superfície e muitos pontos de atrito. Consequentemente, o nível de enchimento de um terço, recomendado para processos de moagem a seco, é trocado pela regra de 60%, o que significa que 60% do jarro são preenchidos com pequenas bolas. A quantidade de amostra deve ser de aprox. 30%. Primeiro, as pequenas bolas são adicionadas aos frascos (por peso!) e, em seguida, a amostra é adicionada e misturada. Finalmente, o líquido dispersante é misturado cuidadosamente.

<sup>1. Um sexto a um terço da amostra + líquido
2. Dois terços de bolas de moagem</sup>

Como escolher o tamanho correto da esfera de moagem

Outra regra prática é que as bolas de moagem devem ser pelo menos três vezes maiores que a maior peça de amostra. Deste modo é assegurado que as bolas podem pulverizar a amostra rapidamente.

Para encontrar o tamanho de bola adequado para a finura final desejada, geralmente um fator de aproximadamente 1000 pode ser aplicado. Se um tamanho de moagem de 30 µm (D90) for o objetivo, o tamanho de esfera mais adequado seria entre 20 mm e 30 mm. Se forem necessárias partículas menores, as esferas devem ser removidas e substituídas por outras menores para uma segunda etapa do processo.

Como esferas maiores podem triturar as menores, não é aconselhável combinar diferentes tamanhos de esferas em um processo de moagem. 

Moagem úmida e em nanoescala em moinhos de bolas planetários

A nanotecnologia lida com partículas em uma faixa de 1 a 100 nm. Essas partículas possuem propriedades especiais devido ao seu tamanho, pois sua superfície é muito ampliada em relação ao seu volume (as chamadas “funcionalidades induzidas pelo tamanho”). As partículas ultrafinas são, por exemplo, mais duras e mais resistentes à quebra do que as partículas maiores.

Com a moagem a seco, o tamanho das partículas de uma amostra só pode ser reduzido até certo ponto, pois as partículas pequenas tendem a se carregar em suas superfícies e se aglomeram. Portanto, líquido ou dispersante é usado para manter as partículas separadas. Soluções salinas são usadas para neutralizar as cargas superficiais. Moléculas de cadeia longa no líquido podem manter as partículas separadas graças ao impedimento estérico.  

Devido à sua superfície significativamente aumentada em relação ao volume, pequenas partículas são atraídas umas pelas outras por suas cargas eletrostáticas. A neutralização das cargas de superfície só é possível pela adição de um tampão (estabilização eletrostática, à esquerda) ou pela adição de moléculas de cadeia longa (estabilização estérica, à direita).

Uso de moinhos de bolas planetários para triagem de co-cristais

Co-cristais são materiais sólidos compostos por dois ou mais componentes moleculares. A triagem de co-cristais é o processo de identificar co-formadores adequados que formam co-cristais estáveis e desejáveis com uma molécula alvo. A triagem de co-cristais pode ser usada para melhorar as propriedades físico-químicas de, por exemplo, produtos farmacêuticos ou agroquímicos, como solubilidade ou estabilidade. Com um adaptador especial, a triagem de co-cristais pode ser realizada em um moinho de bolas planetário, usando frascos descartáveis como frascos de vidro GC de 1,5 ml. Tipicamente, são usadas algumas bolas de aço de 3 mm ou 4 mm para misturar as substâncias em velocidade baixa a moderada. Se necessário, são adicionados alguns µl de solvente. O processo geralmente é concluído em 30-120 minutos. O adaptador possui 24 posições dispostas em um anel externo com 16 posições e um anel interno com 8 posições. O anel externo aceita até 16 frascos, permitindo a triagem de até 64 amostras simultaneamente quando usando o Moinho de Bolas Planetário PM 400. As 8 posições do anel interno são adequadas para realizar ensaios com diferentes entradas de energia, por exemplo, para pesquisa de mecanossíntese. Como os frascos são feitos de vidro, a velocidade do moinho deve ser selecionada cuidadosamente; recomendamos um máximo de 500 rpm no PM 300 e 550 rpm no PM 100. A velocidade máxima de 400 rpm no PM 400 não é crítica. Para a triagem de co-cristais, uma alta entrada de energia gerada por alta velocidade é desvantajosa, pois isso pode levar a alterações nos compostos químicos das substâncias. Consequentemente, resultados ótimos são obtidos em velocidades baixas e moderadas.