Почему планетарные шаровые мельницы используют вспомогательные средства для измельчения: механизмы, преимущества и руководство по выбору

A планетарная шаровая мельница может создавать интенсивные силы удара, трения, сдвига и сжатия, что делает его пригодным для тонкого измельчения, смешивания порошков, механического легирования, механохимии и подготовки современных материалов.

Однако по мере того, как частицы становятся мельче, процесс измельчения часто усложняется. Порошки могут начать прилипать к размольному стакану, покрывать мелющие шары, образовывать твердые лепешки, генерировать статическое электричество или агломерироваться вместо того, чтобы продолжать уменьшаться в размерах.

В таких ситуациях подходящим шлифовальная помощь может улучшить процесс. Вспомогательные средства для шлифования могут уменьшить прилипание частиц, улучшить текучесть порошка, ограничить холодную сварку, поддержать дисперсию и помочь шлифовальному телу более эффективно передавать энергию.

Шлифовальные приспособления не требуются для каждого эксперимента по планетарной шаровой мельнице. Их полезность зависит от материала, цели измельчения, сухого или мокрого процесса, приемлемого уровня загрязнения, температурной чувствительности и последующего применения.

В этом руководстве объясняется, что такое вспомогательные средства для измельчения, почему они используются, как они работают, как их выбирать и какие риски следует оценить, прежде чем добавлять их в планетарную шаровую мельницу.

Что такое шлифовальный станок?

Вспомогательное средство для измельчения представляет собой небольшое количество жидкой, твердой или газообразной технологической добавки, вводимой для улучшения поведения материала во время измельчения.

В зависимости от применения его также можно описать как:

• Диспергатор
• ПАВ
• Смазка
• Средство против слеживания
• Агент управления процессом
• Смачивающий агент
• Жидкая шлифовальная среда

Термин «вспомогательное средство для измельчения» охватывает несколько различных функций. Некоторые добавки в основном снижают адгезию поверхности. Другие улучшают смачивание, предотвращают повторное агломерирование частиц, уменьшают количество холодной сварки во время механического легирования или облегчают выгрузку порошка из размольного стакана.

Не следует считать, что вспомогательное средство для измельчения является химически неактивным. Некоторые добавки могут адсорбироваться на поверхности частиц, вступать в реакцию со свежеобразованными поверхностями, изменять поведение при окислении, оставлять остатки или влиять на последующие этапы спекания, анализа, нанесения покрытия или рецептуры.

По этой причине добавку следует выбирать как часть всего процесса, а не рассматривать как универсальное решение.

Как происходит измельчение в планетарной шаровой мельнице

В планетарной шаровой мельнице один или несколько размольных стаканов установлены на вращающемся планетарном диске. Поскольку диск вращается вокруг центра машины, каждая банка вращается вокруг своей оси, обычно в противоположном направлении.

Это сложное движение ускоряет мелющие шары и заставляет их быстро перемещаться через образец. Уменьшение размера частиц происходит главным образом за счет:

• Влияние: Шарики ударяются о более крупные частицы и разрушают хрупкие материалы.
• Трение и истирание: Скользящий контакт между шариками, порошком и стенками банки изнашивает частицы.
• сдвиг: Относительное движение разрушает агломераты и разделяет слоистые структуры.
• Сжатие: Порошок, попавший между сталкивающимися шариками, испытывает многократное давление.

Планетарное движение генерирует гораздо более высокую энергию измельчения, чем многие традиционные вращающиеся мельницы. Это полезно для быстрого тонкого измельчения, но также создает условия, способствующие адгезии и агломерации порошка.

Почему мелкие порошки становится трудно измельчать

Увеличенная площадь поверхности

По мере того как частица становится меньше, площадь ее поверхности увеличивается по отношению к ее массе. Вновь созданные поверхности имеют более высокую поверхностную энергию и имеют тенденцию притягивать другие частицы.

Вместо того, чтобы оставаться в виде отдельных мелких частиц, порошок может образовывать рыхлые агломераты или компактные лепешки. Измеренный размер частиц может затем перестать уменьшаться, даже если мельница продолжает работать.

Порошковое покрытие мелющих шаров и стенок стаканов

Липкие, пластичные, мягкие или очень мелкие материалы могут покрывать мелющие тела и внутреннюю стенку стакана.

Как только образуется толстый слой порошка, мелющие шары перестают эффективно ударять по рыхлой пробе. Энергия поглощается покрытием, а не передается отдельным частицам.

Статическое электричество

Сухое измельчение мелких, легких или электроизоляционных порошков может генерировать статический заряд. Порошок может прилипать к крышке банки, уплотнительному кольцу, стенкам, шарикам и инструментам, используемым во время отбора проб.

Статическое притяжение может затруднить извлечение порошка и снизить повторяемость загрузки и выгрузки проб.

Холодная сварка пластичных порошков

При механическом легировании частицы металла могут сплющиваться, деформироваться и свариваться друг с другом при повторяющихся ударах.

Для образования сплава необходима некоторая холодная сварка, но чрезмерная сварка может привести к образованию крупных хлопьев или компактных масс вместо контролируемого композитного порошка.

Выработка тепла

Удар и трение преобразуют механическую энергию в тепло. По мере продолжения измельчения температура банки и порошка может повышаться.

Чрезмерная температура может привести к:

• Размягчение полимеров
• Испарение летучих компонентов
• Окисление
• Разложение органических материалов
• Изменения кристаллической структуры
• Снижение производительности диспергатора
• Повышенное прилипание материала

Почему планетарные шаровые мельницы используют шлифовальные приспособления

1. Уменьшить агломерацию частиц.

Одной из наиболее важных функций вспомогательного средства для измельчения является уменьшение притяжения между вновь образовавшимися мелкими частицами.

Молекулы добавок могут адсорбироваться на поверхности частиц и создавать физический или электростатический барьер. Это затрудняет повторное присоединение частиц после того, как они были разделены мелющими телами.

Уменьшение агломерации может обеспечить:

• Более равномерное уменьшение размера частиц
• Улучшенная дисперсия
• Лучшее извлечение порошка
• Меньше твердых лепешек внутри банки
• Более надежные измерения размера частиц

2. Чтобы предотвратить попадание порошка на банку и шарики.

Когда порошок образует толстое покрытие на шлифовальных поверхностях, эффективное столкновение шаров с образцом уменьшается.

Подходящее средство для измельчения может уменьшить адгезию и помочь сохранить подвижность образца. Это позволяет большему количеству порошка оставаться в активной зоне измельчения.

Преимущество особенно важно для:

• Мягкие порошки
• Прекрасные органические материалы
• Пластичные металлы
• Материалы с высокой поверхностной энергией
• Порошки, которые легко впитывают влагу

3. Улучшить движение мелющих тел.

Мелющие шары должны двигаться свободно, чтобы обеспечить полезный удар и сдвиг. Липкий порошок может связать шарики вместе или заставить их скользить в виде компактной массы.

Улучшая текучесть порошка и уменьшая адгезию, шлифовальная добавка помогает поддерживать более эффективное движение материала.

Это может улучшить:

• Частота столкновений
• Распределение энергии удара
• Равномерность смешивания
• Стабильность помола между партиями

4. Уменьшить непродуктивное трение

Не всякое трение внутри размольного стакана способствует уменьшению размера частиц. Чрезмерное трение между уплотненным слоем порошка, стенками банки и шариками может привести к выделению тепла без эффективного измельчения.

Подходящая добавка может снизить это непроизводительное сопротивление и позволить большей части механической энергии способствовать разрушению и диспергированию частиц.

Это не означает, что каждое шлифовальное приспособление автоматически снижает общее потребление энергии. Результат зависит от добавки, материала, дозировки, скорости, загрузки шариков и требуемого конечного размера частиц.

5. Для контроля холодной сварки при механическом легировании.

Во время механического легирования частицы пластичного металла неоднократно деформируются, разрушаются и свариваются.

Агент управления процессом может ограничить чрезмерную сварку, создавая тонкий поверхностный слой между частицами. Это помогает поддерживать баланс между:

• Пластическая деформация
• Холодная сварка
• Разрушение частиц
• Очистка порошка
• Гомогенизация сплавов

Слишком мало регулятора процесса может привести к образованию крупных сварных масс из порошка. Слишком большое количество может уменьшить необходимый контакт частиц или привести к появлению избыточного количества углерода, кислорода, водорода или других остатков.

6. Для улучшения потока и разгрузки порошка.

После сухого измельчения очень мелкий порошок может остаться прикрепленным к банке, шарикам, крышке и уплотнениям.

Правильно подобранная добавка может улучшить текучесть и облегчить обработку материала.:

• Вынуть из размольного стакана
• Переложить в контейнеры для хранения
• Сито
• Взвешивайте точно
• Рассеять в более позднем процессе

7. Для поддержки мокрого измельчения и коллоидной дисперсии.

При мокром измельчении сама жидкая фаза может функционировать как часть системы, способствующей измельчению. Он помогает переносить частицы, уменьшать пыль, улучшать теплопередачу и поддерживать дисперсию.

Можно добавить диспергатор, чтобы помочь стабилизировать вновь образовавшиеся мелкие частицы в жидкости и предотвратить повторную агломерацию.

Успешное мокрое измельчение требует совместимости между:

• Образец
• Жидкий носитель
• Диспергатор
• Размольный стакан
• Мелющие шары
• Уплотнительное кольцо
• Последующий процесс сушки или рецептуры

Основные типы шлифовальных приспособлений

Жидкие шлифовальные средства и материалы для влажного измельчения

Во время мокрой планетарной шаровой мельницы можно использовать воду, жидкости на спиртовой основе, масла и другие совместимые растворители.

Жидкость следует выбирать в зависимости от:

• Растворимость образца
• Химическая реактивность
• Воспламеняемость
• Точка кипения
• Вязкость
• Требуемый метод сушки
• Совместимость банки и уплотнения
• Требования экологии и безопасности

Выбранная жидкость не должна растворять нежелательную часть образца, вступать в реакцию со свежеобразованными поверхностями, повреждать уплотнительное кольцо или вносить неприемлемые загрязнения.

Летучие и легковоспламеняющиеся жидкости требуют особого ухода. Стандартный размольный стакан и стандартная электрическая система не должны автоматически считаться подходящими для измельчения на основе растворителя.

Шлифовальные приспособления для механического легирования

Механическое легирование часто включает пластичные металлы, которые деформируются и свариваются во время фрезерования.

В этом случае шлифовальную добавку обычно называют агент управления процессом . Его цель – не просто облегчить растекание порошка. Он контролирует баланс между холодной сваркой и разрушением.

Выбранный агент управления процессом может влиять:

• Окончательная форма частиц
• Восстановление порошка
• Скорость легирования
• Размер кристаллита
• Содержание углерода или кислорода
• Формирование фазы
• Последующая термообработка

Поскольку механически легированные порошки могут быть высокореактивными, измельчение следует проводить в подходящем вакууме или сосуде с инертной атмосферой, если необходимо контролировать окисление.

Применение шлифовальных средств при планетарном шаровом фрезеровании

Цемент, минералы и неорганические порошки

Минеральные порошки и неорганические оксиды могут агломерироваться по мере уменьшения размера их частиц. Вспомогательные средства для измельчения могут улучшить текучесть порошка, уменьшить слеживание и помочь поддерживать эффективный контакт с мелющими телами.

Добавка не должна мешать химическому анализу, обжигу, гидратации цемента или последующим испытаниям материала.

Подготовка наноматериалов

Исследования наноматериалов требуют контроля как разрушения частиц, так и повторной агломерации. Диспергатор или жидкая среда могут помочь отделить мелкие частицы после их образования.

Фактический конечный размер частиц зависит от:

• Твердость материала
• Начальный размер подачи
• Материал и диаметр мелющих шаров
• Материал банки
• Скорость вращения
• Время шлифования
• Температура
• Аддитивная химия
• Метод измерения

Аккумуляторы и электронные материалы

Катод батареи, анод, твердый электролит и проводящие материалы часто имеют строгие требования к загрязнению.

Шлифовальная добавка может улучшить дисперсию и уменьшить прилипание порошка, но любые остаточные органические или неорганические добавки могут повлиять на:

• Электропроводность
• Химия поверхности
• Поведение при спекании
• Электрохимические характеристики
• Рецептура суспензии

Поэтому чистоту и совместимость добавок необходимо тщательно оценивать.

Фармацевтические и пищевые материалы

Шлифовальные средства, используемые для фармацевтических или пищевых порошков, должны удовлетворять требованиям пользователя к чистоте, безопасности, очистке и нормативным требованиям.

Шлифовальную добавку, стакан, шарики, уплотнения и метод очистки следует рассматривать как одну полную систему контроля загрязнения.

Порошки металлов и сплавов

При обработке металлического порошка можно использовать агент контроля процесса для предотвращения чрезмерной холодной сварки, контроля морфологии частиц и улучшения выхода порошка.

Порошки реактивных металлов также могут потребовать инертной атмосферы и строгого контроля риска возгорания.

Пигменты, покрытия и химические порошки

Пигменты и тонкодисперсные химические порошки часто требуют как уменьшения размера частиц, так и диспергирования. Вспомогательное средство для измельчения может помочь разделить агломераты и улучшить распределение порошка в жидком носителе.

Как выбрать шлифовальный станок

Шаг 1: Определите цель фрезерования

Определите, является ли основная цель:

• Тонкое измельчение
• Деагломерация
• Мокрая дисперсия
• Механическое легирование
• Механохимическая реакция
• Смешивание порошков
• Улучшенное восстановление образцов

Шаг 2. Определите основную проблему фрезерования

Разные проблемы требуют разных решений.

Шаг 3: Подтвердите химическую совместимость

Шлифовальная добавка не должна нежелательно реагировать с:

• Образец
• Размольный стакан
• Мелющие шары
• Крышка
• Уплотнительное кольцо
• Мельничная атмосфера

Шаг 4: Оценка загрязнения и остатков

Учитывайте, останется ли измельчающая добавка в порошке после помола.

Подтвердите, можно ли его удалить,:

• Сушка
• Вакуумная обработка
• Стирка
• Термическая обработка
• Фильтрация

Для аналитических образцов, материалов высокой чистоты, батарей, электроники, фармацевтических препаратов и катализаторов даже небольшое количество остатков может повлиять на результат.

Шаг 5. Начните с контролируемого небольшого теста

Соответствующий тип и количество добавки следует определять экспериментально. Начните с небольшой выборки и сравните результат с контрольным тестом, выполненным без посторонней помощи.

Записывать:

• Тип и количество добавки
• Количество образцов
• Материалы для банок и шариков
• Диаметр шара и нагрузка
• Скорость
• Время шлифования
• Интервалы паузы
• Температура банки
• Восстановление порошка
• Окончательное распределение частиц по размерам

Почему больше шлифовальной помощи не всегда лучше

Чрезмерное количество шлифовальной добавки может создать новые проблемы.

Слишком большое количество добавки может:

• Снизить эффективность воздействия
• Превратите сухой помол в неконтролируемую пасту
• Увеличьте время высыхания
• Ввести чрезмерный остаток
• Изменить химический состав порошка
• Мешают механическому легированию
• Вызывают пенообразование при мокром измельчении
• Увеличение затрат на последующую обработку

Оптимальное количество – это минимальное количество, которое обеспечивает необходимое улучшение процесса без негативного воздействия на продукт.

Вспомогательные средства не заменяют правильные параметры мельницы

Шлифовальное приспособление не может решить все проблемы фрезерования. Плохие результаты также могут быть вызваны:

• Неправильный диаметр шара.
• Недостаточная загрузка мяча.
• Чрезмерная загрузка образца
• Неподходящий материал баночки
• Неправильная скорость
• Чрезмерное время шлифовки
• Недостаточное охлаждение
• Неправильная жидкость для мокрого шлифования.
• Плохая балансировка банки

Прежде чем добавлять химическую добавку, проверьте, подходят ли механические и рабочие параметры.

Распространенные заблуждения относительно шлифовальных приспособлений

Заблуждение 1: Каждая планетарная шаровая мельница требует шлифовального приспособления

Многие хрупкие порошки можно успешно измельчить без добавок. Вспомогательное средство для измельчения следует вводить только тогда, когда оно решает конкретную технологическую проблему или поддерживает определенную рецептуру.

Заблуждение 2: шлифовальные приспособления никогда не изменяют материал

Некоторые добавки лишь временно изменяют взаимодействие частиц, но другие могут сильно адсорбироваться, вступать в реакцию со свежими поверхностями, вводить новые элементы или влиять на последующую термообработку.

Заблуждение 3: Любой растворитель можно использовать в качестве шлифовального средства

Жидкость должна быть совместима с образцом, банкой, шариками, уплотнениями и конфигурацией безопасности. Легковоспламеняющиеся или летучие жидкости требуют соответствующего контроля рисков.

Заблуждение 4: Чем больше добавок, тем более мелкий порошок

Избыток добавки может снизить эффективность столкновения или создать слишком вязкую суспензию. Сумма должна быть оптимизирована экспериментальным путем.

Заблуждение 5: Шлифовальные приспособления исключают выделение тепла

Некоторые вспомогательные средства могут уменьшить непроизводительное трение или улучшить теплопередачу, но планетарная шаровая мельница по-прежнему генерирует тепло. Скорость, время, циклы пауз и охлаждение остаются важными.

Меры предосторожности

• Перед использованием ознакомьтесь с данными о безопасности каждой жидкости или добавки.
• Не используйте летучие или легковоспламеняющиеся жидкости в неподходящей системе измельчения.
• Не наполняйте и не открывайте банку рядом с источником возгорания.
• Убедитесь, что уплотнительное кольцо совместимо с выбранной жидкостью.
• Не переполняйте чашу для мокрого помола.
• Контролируйте риски температуры и внутреннего давления.
• Используйте вакуумные баллоны или баллоны с инертным газом только в соответствии с их инструкциями по эксплуатации.
• Прежде чем открывать банку, дайте ей остыть.
• Используйте подходящие средства индивидуальной защиты.
• Обращайтесь с порошками химически активных металлов в соответствующей контролируемой атмосфере.

Часто задаваемые вопросы

Какова основная цель шлифовального приспособления?

Его основная цель — улучшить процесс шлифования за счет уменьшения агломерации, прилипания, холодной сварки, статического притяжения или непроизводительного трения.

Нужна ли каждой планетарной шаровой мельнице вспомогательное средство для измельчения?

Нет. Многие материалы можно обрабатывать и без него. Вспомогательные средства для измельчения в основном используются, когда порошок слеживается, прилипает к банке, подвергается холодной сварке, повторно агломерируется или его становится трудно диспергировать.

Можно ли использовать воду в качестве средства для измельчения?

В качестве среды для мокрого измельчения можно использовать воду, если она совместима с образцом, банкой, шарами, уплотнениями и последующим процессом. Его не следует использовать с водореагирующими или чувствительными к окислению материалами.

Можно ли использовать спирт во время планетарной шаровой мельницы?

Некоторые жидкости на спиртовой основе используются в качестве средств мокрого измельчения или диспергирующих жидкостей, но перед использованием необходимо оценить их воспламеняемость, летучесть, риск давления и совместимость с оборудованием.

Что такое агент управления процессом?

Агент контроля процесса — это добавка, используемая в основном при механическом легировании для контроля чрезмерной холодной сварки и поддержания баланса между сваркой частиц и разрушением.

Могут ли измельчающие средства уменьшить размер частиц?

Они обычно не измельчают частицы напрямую. Они улучшают условия, при которых шарики передают энергию, и помогают предотвратить повторное агломерирование мелких частиц.

Может ли шлифовальная добавка стать причиной загрязнения?

Да. Он может оставлять органические или неорганические остатки или вступать в реакцию с поверхностью свежеобразованных частиц. Его влияние необходимо оценивать в соответствии с конечным применением.

Сколько шлифовальной добавки следует добавлять?

Универсальной суммы не существует. Правильное количество зависит от материала, объема сосуда, загрузки образца, режима измельчения, химического состава добавок и требований, предъявляемых к последующему процессу. Рекомендуется провести контролируемое мелкомасштабное сравнение.

Может ли шлифовальное приспособление предотвратить перегрев?

Это может уменьшить трение или улучшить теплообмен в некоторых системах, но не может заменить надлежащий контроль скорости, циклы пауз, охлаждение и мониторинг температуры.

Заключение

Вспомогательные средства для измельчения могут играть важную роль при планетарном шаровом измельчении, когда мелкие порошки начинают агломерироваться, прилипать к стакану, генерировать статический заряд или подвергаться холодной сварке во время механического легирования.

Их основное значение заключается не в замене шлифовального действия, а в улучшении условий воздействия на материал удара, трения, сдвига и сжатия.

Правильно подобранная вспомогательная добавка для измельчения может улучшить подвижность порошка, уменьшить слеживание, поддержать диспергирование во влажном состоянии, контролировать холодную сварку, увеличить выход пробы и сделать процесс измельчения более повторяемым.

Однако вспомогательные средства для измельчения не требуются повсеместно, и их не следует выбирать только потому, что они сокращают время измельчения. Необходимо учитывать химическую совместимость, загрязнение, остатки, воспламеняемость, температуру, герметизацию и последующую обработку.

Самый надежный подход — сначала оптимизировать механические параметры, выявить конкретную проблему фрезерования, а затем провести небольшое контролируемое испытание с минимально эффективным количеством совместимой шлифовальной добавки.