4.2.1. Диспергационные методы

Диспергирование - это дробление и измельчение веществ и материалов, широко используемое в различных областях деятельности, в том числе и в фармацевтической технологии. Следует отметить, что при диспергировании, как правило, получаются грубодисперсные и притом полидисперсные системы. Диспергирование широко используется для приготовления самых разнообразных порошков, используемых в качестве строительных материалов (гипс, цемент, мел, глина, известь и др.), пигментов для изготовления масляных, акварельных, гуашевых и др. красок, туши, наполнителей для пластмасс, бумаги и резины (сажа, мел и др.), пищевых продуктов (мука, крахмал, сахарная пудра, соль, кофе, какао и др.), лекарственных веществ и т. п. Диспергирование материалов часто является побочным явлением при деятельности человека (при бурении горных пород, при сверлении, взрывах, при истирании деталей механизмов, шин автомобилей и т. п.), что, как правило, приводит к нежелательным явлениям в виде загрязнения окружающей среды, потерь ценных веществ, а также ряда болезней. Диспергирование горных пород происходит и в результате различных природных процессов – выветривания, извержения вулканов, осыпей, камнепадов, схода лавин и селей и др.

Газы в жидкостях диспергируются барботированием или интенсивным перемешиванием. Жидкости в газах диспергируются распылением с помощью форсунок, дюз и т. п., в других жидкостях (при эмульгировании) – перемешиванием, встряхиванием или вибрацией, в том числе воздействием ультразвука.

Наиболее часто требуется измельчение твёрдых тел. Твёрдые тела в зависимости от природы веществ, из которых они состоят, могут обладать самыми различными прочностью, твёрдостью, хрупкостью, вязкостью, они могут быть кристаллическими или аморфными и т. п. Это обусловливает большое разнообразие диспергационных методов. Все виды диспергирования твёрдых тел, как ручные, так и механические, используют следующие основные приёмы: раздавливание, раскалывание, разламывание, разрезание, распиливание, истирание и др. Так как при диспергировании возникают новые поверхности, то эти процессы требуют затрат энергии, часто очень значительных. Они связаны с тем, что для разрушения твёрдого тела или жидкости и получения новой поверхности, необходимо преодолеть силы когезии, обусловливающие целостность определённого объёма вещества.

При дроблении и измельчении твёрдые материалы разрушаются в первую очередь в местах прочностных дефектов (макро- и микротрещин). Поэтому по мере измельчения прочность частиц растёт, что ведёт ко всё большему расходу энергии при дальнейшем диспергировании. Разрушение материалов может быть облегчено при использовании эффекта Ребиндера  адсорбционного понижения прочности твёрдых тел. Этот эффект заключается в уменьшении поверхностной энергии с помощью “понизителей твёрдости” (чаще всего ПАВ), в результате чего облегчается деформирование и разрушение твёрдого тела. ПАВ, добавляемые даже в очень малых количествах, не только помогают разрушить материал, но и стабилизируют получающиеся дисперсии, так как, адсорбируясь на поверхности частиц, их молекулы уменьшают возможность обратного объединения (агрегации).

Механическое диспергирование. Для получения дисперсных систем из предварительно измельчённого сырья, широко используются ручные и механические аппараты: дробилки, мельницы, жернова, вальцы, ступки, дезинтеграторы, краскотерки, встряхиватели и др. Часто измельчение проводится в несколько стадий, при которых последовательно получаются всё более мелкие дисперсии. Подробное описание измельчения с помощью этих устройств, как ручных, так и механических, подробно описано в учебниках по фармацевтической технологии.

Наиболее простыми машинами для получения достаточно тонкодисперсных порошков из предварительно раздроблённого сырья являются шаровые мельницы  измельчители ударно-истирающего действия. Они представляют собой стальные барабаны различного объёма, в которые загружаются измельчаемый материал и дробящие тела  шары из прочного тяжёлого материала (обычно из специальных сталей или фарфора). При вращении барабана шары перекатываются внутри него и в результате ударов и истирающего действия исходный материал измельчается. Шаровые мельницы позволяют получить порошки довольно высокой дисперсности, но недостатком их является малая производительность, периодичность действия и значительная степень загрязнённности получаемого порошка веществом, из которого изготовлены шары и стенки барабана. Кроме того, при извлечении порошка из шаровой мельницы неизбежны потери, что существенно при измельчении достаточно дорогих лекарственных веществ.

Дезинтеграторы или коллоидные мельницы - механизмы ударно-центробежного действия, применяемые для измельчения хрупких материалов. Первая коллоидная мельница, сконструированная Плаузоном, представляет собой металлический вертикально стоящий цилиндрический кожух, в котором с частотой 10  20 тыс. об/мин вращается вал с укреплёнными в несколько рядов металлическими пальцами  билами. На внутренней стенке цилиндра укреплены прочные зубья, в пространство между которыми свободно проходят била. Вал с билами и неподвижные зубья конструируются таким образом, что между ними остаётся очень узкий зазор. Предварительно измельчённый материал подаётся сверху в виде водной суспензии. При прохождении бил в зазорах между зубьями в результате гидравлического удара грубодисперсные частицы разрушаются с образованием более мелких. Из нижней части аппарата отбирается суспензия с частицами, по размерам близким к коллоидным.

Существуют и другие типы коллоидных мельниц с измельчающими устройствами в виде конических ротора и статора с узким зазором между ними; в виде вращающихся навстречу друг другу соосных дисков и др. Коллоидные мельницы из всех механических диспергирующих устройств позволяют получать наибольшую степень дисперсности твёрдого вещества.

Ультразвуковое диспергирование жидкостей происходит в результате разрывающих усилий, которые возникают в жидкости при прохождении через неё ультразвуковой волны, а также вследствие кавитации, т. е. образования и спадения полостей. Резкие локальные изменения давления (порядка тысяч атмосфер), происходящие за ничтожно малые промежутки времени (10^4  10^5 с), приводят к разрыву не только жидкостей, но и некоторых непрочных твёрдых тел. Так, ультразвуковым диспергированием получают органозоли хрупких металлов и сплавов, гидрозоли серы, гипса, графита, крахмала, гидроксидов металлов и т. п., а также различные эмульсии.

Самопроизвольное диспергирование. В случае понижения удельной поверхностной энергии на границе раздела фаз, например, в результате действия ПАВ диспергирование может происходить самопроизвольно, лишь благодаря энергии теплового движения. Такое диспергирование наблюдается близ критической температуры растворения (смешения) двух жидкостей, например, при получении из эмульсолов смазочно-охлаждающих жидкостей для металлорежущих станков, при образовании водных дисперсий некоторых гидрофильных минералов, в частности, глин и др.