Физико-химические основы нанотехнологий. Методические указания

Характеристики вибрационной мельницы MM 200 (Retsch)

51

Теоретические сведения

Входе измельчения размольный стакан совершает колебания, находясь в горизонтальной позиции. Размольные шары, приобретая высокую энергию, ударяются о стенки размольного стакана и, тем самым, измельчают пробу. Также происходит интенсивное перемешивание пробы за счёт движения размольных стаканов в комбинации с движением шаров. Степень перемешивания может быть увеличена за счёт использования нескольких шаров меньшего диаметра. Если использовать маленькие шары (например, стеклянный бисер), можно разрушить мембраны клеток. В результате возникновения трения при ударе между бисером обеспечивается эффективное разрушение клеток.

По сравнению с шаровой мельницей ударный импульс отдельного размольного тела в данном устройстве относительно невелик. Однако большое число размольных тел в единице объема и высокая частота вибраций обеспечивают интенсивное измельчение обрабатываемого материала.

Взависимости от частоты, достигается до 1800 ударов в минуту, что приводит к высокой тонкости помола за очень короткие промежутки времени.

Высокая частота воздействий размольных тел на измельчаемый материал препятствует самозаживлению трещин. В результате этого создается режим усталостного разрушения обрабатываемого материала, и процесс его измельчения протекает значительно быстрее, чем в других размольных аппаратах.

При измельчении материалов механическое воздействие является импульсным, т.е. возникновение поля напряжений происходит не в течение всего времени пребывания частиц в реакторе, а только

вмомент соударения частиц и в короткое время после него. Механическое воздействие является также и локальным, так как происходит не во всей массе твердого вещества, а там, где возникает поле напряжений. Благодаря импульсности и локальности, в небольших областях диспергируемого материала в течение короткого времени сосредотачиваются большие нагрузки. Это приводит к возникновению в частицах дефектов, напряжений, полос сдвига, деформаций, трещин.

Вкачестве опытных образцов можно использовать металлы, оксиды, целлюлозу и т.п.

52

Порядок выполнения работы

Объем размольного стакана – 25 мл. Объем измельчаемого продукта – 4-10 мл. Шары для заполнения – 15 мм (1 шт.).

Материал размольного стакана и шаров – оксид циркония/закаленная сталь.

Макс. размер загружаемых зерен – 6 мм.

1.Возьмите с помощью мерного цилиндра 7 мл исходного

порошка.

2.Взвесьте отобранный порошок с помощью лабораторных

весов.

3.Оцените с помощью микроскопа форму частиц исходного

порошка.

4.Возьмите размольный стакан на 25 мл (материал стакана выбирается исходя из измельчаемого материала). Наполните стакан измельчаемым материалом и одним размольным шаром (15 мм).

5.Установите 2 размольных стакана: один наполненный, второй – пустой.

6.Закройте крышку. Настройте продолжительность размола и частоту с помощью кнопок «-» и «+».

7.Процесс измельчения запускается только при закрытой крышке при помощи кнопки «Start». Не открывайте крышку во время процесса измельчения.

8.Процесс измельчения автоматически завершается по истечение продолжительности размола.

9.Извлеките наполненный размольный стакан и отсыпьте 0,5 мл размолотого порошка для проведения анализов.

10.Обратно установите размольный стакан и продолжите

размол.

11.Проведите исследование формы (с помощью микроскопа) и размеров частиц (с помощью анализатора частиц) размолотых образцов.

12.По результатам исследования заполните таблицу (все расчеты привести в отчете) и постройте соответствующие графики зависимости среднего гидродинамического диаметра, индекса полидисперсности и степени измельчения от времени размола.

53

Средний гидродинамический диаметр – характеризует усредненный диаметр с гидратной оболочкой частицы при допущении, что все частицы имеют сферическую форму.

Индекс полидисперсности – параметр ширины распределения частиц по размерам (чем меньше, тем более монодисперсный образец).

Отношение размеров частиц до измельчения и после измельчения называют степенью измельчения. Различают линейную (i = dн/dк) и объемную (а = vн/vк) степени измельчения. Здесь d и v - размер и объем частиц до (с индексом «н») и после измельчения (с индексом «к»).

13.По графикам определить оптимальное время механического диспергирования образца.

14.Записать вывод в соответствии с целью работы.

Лабораторная работа №2

МЕХАНИЧЕСКОЕ ДИСПЕРГИРОВАНИЕ В ПЛАНЕТАРНОЙ ШАРОВОЙ МЕЛЬНИЦЕ

Цель работы

Определить оптимальное время механического диспергирования образца в планетарной шаровой мельнице.

Аппаратура

1)планетарная шаровая мельница РМ 100 (рис. 19);

2)анализатор частиц Zetasizer Nano Malvern;

3)микроскоп ЛабоМет-2.

54

Теоретические сведения

Вотличие от барабанных шаровых мельниц барабаны планетарных мельниц вращаются вокруг центральной оси планетарного механизма (подобно планетам вокруг Солнца), а кроме того, каждый из них вращается в противоположном направлении вокруг собственной продольной оси.

Благодаря движению барабана вокруг своей оси помещенные в него шары получают центростремительное ускорение, намного превышающее ускорение силы тяжести (в Новосибирском институте геологии и геофизики разработали лабораторные планетарные мельницы

сускорением до 400G). Интенсивность измельчения материала увеличивается на порядки, а изменение скоростных режимов работы мельницы позволяет более тонко регулировать размер частиц (чистоту помола). Самое же главное - появлялась возможность создания супертонких порошков, помол которых в шаровых машинах в принципе невозможен.

Размольные стаканы закрепляются вне центра планетарного диска шаровой мельницы. Направление движения планетарного диска противоположно движению размольных стаканов с соотношением скоростей 1:-2 (или 1:-2,5 или 1:-3). Мелющие шары в размольном стакане производят вращательные движения, что вызывает так называемые силы Кориолиса.

Сила Кориолиса - одна из сил инерции, возникающая из-за вращения и законов инерции, проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения. Названа по имени французского учёного Гюстава Гаспара Кориолиса, впервые её описавшего в 1833 году.

Разница скоростей между шарами и размольным стаканом приводит к взаимодействию сил трения и удара, которые высвобождают большую кинетическую энергию. Взаимодействие этих сил приводит к высокой степени измельчения в планетарной шаровой мельнице.

Впланетарных мельницах с одним посадочным местом для балансировки предусмотрен противовес. В шаровой мельнице РМ 100 баланс можно передвигать по наклонной шкале. В этом случае различные центры тяжести размольных стаканов разных размеров компенсируются для того, чтобы избежать вибрации машины.

Принцип работы планерных шаровых мельниц базируется на соотношении вращательного момента между размольным стаканом и планетарным диском. Одним из основных факторов оптимального из-

56

мельчения пробы является соотношение между диаметром планетарного диска и скоростью его вращения.

Существуют планетарные шаровые мельницы с различным соотношением скоростей. Например, соотношение 1:-1 означает, что один оборот планетарного диска соответствует одному обороту размольного стакана вокруг собственной оси в противоположном направлении оси вращения диска (показано знаком «-»). Если соотношение 1:-2, это означает, что размольный стакан делает два оборота, в то время как планетарный диск делает один вокруг собственной оси. Для того чтобы проследить вращательное движение размольного стакана, Вы должны представить, что Вы стоите в центре планетарного диска. Во время вращения планетарного диска Вы увидите точку дважды, таким образом, размольный стакан сделает два оборота (рис. 20).

Рис. 20. Схема движения диска и размольного стакана

впланетарной мельнице

Вкачестве опытных образцов можно использовать металлы, оксиды, целлюлозу и т.п.

При определенных условиях при размоле твердофазных образцов могут протекать химические реакции.

Порядок выполнения работы

1. Возьмите с помощью мерного цилиндра исходный порошок.

2. Взвесьте отобранный порошок с помощью лабораторных весов.

57

3.Возьмите размольный стакан на 250 мл (материал стакана выбирается исходя из измельчаемого материала). Наполните стакан измельчаемым материалом и размольными шарами.

4.Установите размольный стакан. Чтобы мельница работала плавно, необходимо сбалансировать PM100 после вставки и зажима размольного стакана.

5.Закройте крышку. Настройте продолжительность и скорость

размола.

6.Процесс измельчения запускается только при закрытой крышке при помощи кнопки «Start». Не открывайте крышку во время процесса измельчения.

7.Процесс измельчения автоматически завершается по истечение продолжительности размола.

8.Извлеките наполненный размольный стакан и отсыпьте 0,5 мл размолотого порошка для проведения анализов.

9.Установите обратно размольный стакан и продолжите размол.

10.Проведите исследование формы (с помощью микроскопа) и

размеров частиц (с помощью анализатора частиц) образцов исходного и размолотых порошков.

11.По результатам исследования заполните таблицу (все расчеты привести в отчете) и постройте соответствующие графики зависимости среднего гидродинамического диаметра, индекса полидисперсности и степени измельчения от времени размола.

58

12.По графикам определить оптимальное время механического диспергирования образца.

13.Записать вывод в соответствии с целью работы.

Лабораторная работа №3

УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ДИСПЕРГИРОВАНИЕ

Цель работы

Определить оптимальное время ультразвукового диспергирования образца.

Аппаратура

1)установка ультразвуковая Bandelin Sonoplus (рис. 21);

2)анализатор частиц Zetasizer Nano Malvern;

3)микроскоп ЛабоМет-2.

Рис. 21. Установка ультразвуковая Bandelin Sonoplus

Теоретические сведения

Ультразвук представляет собой упругие колебания и волны в диапазоне частот 104-109 Гц. Распространение мощного ультразвука в физической среде – газе, жидкости или твердом теле – вызывает ряд специфических эффектов, широко используемых в различных областях науки и техники.

Ультразвуковой метод диспергирования позволяет получать высокодисперсные порошки, однородные по составу без посторонних примесей, требуемой формы и др.

На процесс ультразвукового диспергирования оказывают влияние все основные эффекты, возникающие в мощных ультразвуковых

59

полях. Наибольшее влияние на процесс диспергирования оказывает ультразвуковая кавитация.

Встадии сжатия ультразвуковой волны кавитационный пузырек сжимается со все возрастающей скоростью, а находящийся внутри пузырька газ сжимается до высоких давлений. В последующей фазе растяжения волны происходит мгновенное расширение кавитационного пузырька, подобно микровзрыву, с возникновением ударной волны.

На поверхности частиц, отличающихся повышенной концентрацией напряжений (микротрещины, неровности поверхностей и т.п.), образуются зародыши кавитационных пузырьков. Под действием звукокапиллярного эффекта и интенсивных микропотоков жидкость проникает в поры и трещины, где при захлопывании кавитационных пузырьков возникает мощная ударная волна, способствующая разрушению материалов.

При захлопывании пузырька возможно образование мощных микропотоков типа кумулятивных струй (направленные высокоскоростные потоки). Возникновение микроструй при захлопывании кавитационных пузырьков вызвано отклонением поверхности пузырька от сферической формы. Развитие каждого кавитационного пузырька происходит не изолированно, а во взаимодействии с другими пузырьками, на близких расстояниях. В ряде случаев из-за близости стенки и наличия градиентов давления происходит общая деформация формы пузырьков и их сплющивание. В мощных ультразвуковых полях вихревые движения жидкости создают растягивающие напряжения, способствующие также искривлению поверхности пузырька, образованию углублений, впадин.

Вконечной стадии захлопывания кавитационного пузырька жидкость проникает в образовавшиеся углубления в виде микроструй

ипронизывает пузырек со скоростью от сотен до нескольких тысяч метров в секунду. Ударное действие микроструй приводит к разрушению поверхности твердых тел, находящихся в зоне захлопывания кавитационных пузырьков.

Мелкие частицы порошка, размеры которых соизмеримы с поперечным сечением кумулятивных струй, увлекаются струями и могут обладать кинетической энергией, достаточной для разрушения остроугольных кромок на поверхности частиц твердых тел, а при прямом соударении – и для разрушения самих частиц, обладающих дефектами структуры.

60