Molino planetario de bolas Pulverización con alto rendimiento energético

Molinos planetarios de bolas - principio de funcionamiento

En un molino planetario de bolas, cada recipiente de molienda representa un "planeta". Este planeta está situado sobre una plataforma circular, la llamada rueda principal. Cuando esta gira, el recipiente de molienda gira alrededor de su propio eje, pero en sentido contrario. Esto activa las fuerzas centrífugas y de Coriolis, que provocan una fuerte aceleración de las bolas de molienda. Esto genera una energía de trituración muy elevada, necesaria para obtener partículas muy finas. La enorme aceleración de las bolas de molienda de una pared del recipiente a la otra crea un fuerte efecto de impacto sobre la muestra y provoca efectos adicionales de trituración debido a la fricción.

En la molienda coloidal y en la mayoría de las demás aplicaciones, la relación entre la velocidad de la rueda principal y la velocidad del recipiente de molienda es de 1: -2, es decir, por una revolución de la rueda, el recipiente de molienda gira dos veces en sentido contrario. Esta relación de velocidad se aplica a la mayoría de los molinos planetarios de bolas. Los molinos planetarios de bolas con un mayor aporte de energía y una relación de velocidad de 1:-2,5, o incluso 1:-3 se utilizan principalmente para aplicaciones mecanoquímicas.

Molinos planetarios de bolas - Materiales para recipientes y bolas de molienda

Cómo elegir el material más adecuado

Si, por ejemplo, se analiza una muestra para determinar su contenido en metales pesados, el cromo podría introducirse en la muestra a través de la abrasión del recipiente y las bolas de molienda de acero, lo que daría lugar a resultados de análisis falsificados. Por lo tanto, debe elegirse un material libre de metales, como el óxido de circonio. Otro punto a tener en cuenta es la influencia de la herramienta de molienda en la eficacia de la molienda. Aquí son importantes dos aspectos:

• Aporte energético (relacionado con la densidad del material)
• Dureza del material

Aporte energético

El aporte energético aumenta con el incremento de la densidad de un material. En el caso de materiales con una densidad elevada, como el carburo de tungsteno, la aceleración de las bolas de molienda a una velocidad determinada es mayor que en el caso de materiales con una densidad menor. Por tanto, la bola golpea la muestra con un mayor aporte de energía, por lo que el efecto de trituración también es mayor. Este efecto es ventajoso para la trituración de muestras duras y frágiles.

En cambio, con materiales de muestra blandos, un aporte energético demasiado elevado puede impedir una trituración eficaz. En tales casos, la muestra no se tritura realmente hasta convertirse en un polvo fino, sino que forma una capa que se adhiere a las paredes del recipiente y cubre las bolas de molienda. La homogeneización no es posible de este modo y la recuperación de la muestra es difícil. Para materiales de muestra blandos, son más adecuados otros tipos de molinos, como los molinos de rotor.

Dureza

Para encontrar un material con la dureza adecuada, hay que tener en cuenta lo siguiente: el material debe ser más duro que la muestra. Si es menos duro, las bolas de molienda podrían ser aplastadas por las partículas del material de muestra.

Herramientas de molienda de diferentes materiales

No se recomienda utilizar herramientas de molienda de materiales diferentes, por ejemplo, un recipiente de acero con bolas de óxido de circonio. En primer lugar, la abrasión de ambos materiales influye en el resultado del análisis y, en segundo lugar, aumenta el desgaste de las herramientas.

Molinos planetarios de bolas - Llenados recomendados de los recipientes de molienda

Para la molienda en seco

En la molienda en seco, los mejores resultados se consiguen con la llamada regla de los tercios. Esto significa que aproximadamente un tercio del volumen del recipiente debe llenarse con bolas de molienda. Según esta regla, cuanto más pequeñas sean las bolas, mayor será su cantidad para llenar un tercio del vaso. Otro tercio del volumen del recipiente debe llenarse con material de muestra. El tercio restante es espacio libre para que las bolas puedan moverse en su interior y alcanzar la energía de trituración necesaria para una trituración rápida de la muestra.

Siguiendo esta regla, se proporciona la energía de trituración necesaria y, al mismo tiempo, hay suficiente material de muestra en los recipientes para evitar el desgaste. 

<sup>1. Un tercio espacio libre
2. Un tercio muestra
3. Un tercio bolas de molienda</sup>

Para muestras fibrosas

Se aconseja un nivel de llenado de la muestra más alto para muestras fibrosas o materiales que pierden mucho volumen durante la trituración. Debe haber suficiente material de muestra en el recipiente de molienda para minimizar el desgaste. Si es necesario, se puede rellenar la muestra después de unos minutos para obtener el volumen mínimo requerido. 

<sup>1. Dos tercios muestra
2. Un tercio bolas de molienda</sup>

Para la molienda en húmedo

Para producir granulometrías inferiores a 100 nm o menos, se requiere molienda en húmedo y fricción en lugar de impacto. Esto se consigue utilizando muchas bolas de molienda pequeñas con una gran superficie y muchos puntos de fricción. Por lo tanto, el nivel de llenado de un tercio recomendado para los métodos de molienda en seco se sustituye por la regla del 60 %, es decir, el 60 % del recipiente se llena con bolitas. La cantidad de muestra debe ser de aproximadamente el 30 %. Primero se introducen las bolas pequeñas en los recipientes (¡por peso!), después se agrega la muestra y se mezcla todo. Por último, se añade cuidadosamente el líquido dispersante.

<sup>1. Un sexto hasta un tercio muestra + líquido
2. Dos tercios bolas de molienda</sup>

Cómo elegir el tamaño adecuado de las bolas de molienda

Otra regla general es que las bolas de molienda deben ser al menos tres veces más grandes que la pieza de muestra más grande. Esto garantiza que las bolas puedan triturar la muestra rápidamente.

Para encontrar el tamaño de bola adecuado para la granulometría final deseada, suele aplicarse un factor de aproximadamente 1.000. Si el objetivo es un tamaño de partícula de 30 µm (D90), el tamaño óptimo de las bolas está entre 20 mm y 30 mm. Si se necesitan partículas más pequeñas, hay que retirar las bolas y sustituirlas por otras más pequeñas en una segunda fase del proceso.

Dado que las bolas más grandes podrían aplastar a las más pequeñas, no es aconsejable combinar bolas de distintos tamaños en un mismo proceso de molienda. 

Molienda en húmedo y nanométrica en molinos planetarios de bolas

La nanotecnología se ocupa de partículas en un rango de 1 a 100 nm. Estas partículas tienen propiedades especiales debido a su tamaño, ya que su superficie está muy aumentada en relación con su volumen (las llamadas "funcionalidades inducidas por el tamaño"). Las partículas ultrafinas son, por ejemplo, más duras y resistentes a la rotura que las de mayor tamaño.

En la molienda en seco, el tamaño de las partículas de una muestra solo puede reducirse hasta cierto punto, ya que las partículas pequeñas tienden a cargarse y aglomerarse en la superficie. Por lo tanto, se utiliza un líquido o dispersante para mantener las partículas separadas. Las soluciones salinas se utilizan para neutralizar las cargas superficiales. Las moléculas de cadena larga en el líquido pueden separar las partículas gracias al impedimento estérico.  

Debido a su superficie significativamente mayor en relación con el volumen, las partículas pequeñas se atraen entre sí por su carga electrostática. La neutralización de las cargas superficiales solo es posible añadiendo un tampón (estabilización electrostática, izquierda) o añadiendo moléculas de cadena larga (estabilización estérica, derecha).

El uso de molinos planetarios de bolas para el cribado de co-cristales

Los co-cristales son materiales sólidos formados por dos o más componentes moleculares. El cribado de co-cristales es el proceso de identificar coformadores adecuados que formen co-cristales estables y deseables con una molécula diana. El cribado de co-cristales se utiliza para mejorar las propiedades físicoquímicas como la solubilidad o la estabilidad de, por ejemplo, productos farmacéuticos o agroquímicos. Mediante un adaptador especial, el cribado de co-cristales puede realizarse en un molino planetario de bolas utilizando viales desechables como los viales de vidrio GC de 1,5 ml. Normalmente, se utilizan unas cuantas bolas de acero de 3 mm o 4 mm para mezclar las sustancias a velocidad baja o media. Si es necesario, se añaden unos pocos µl de disolvente. El proceso suele completarse en 30-120 min.

El adaptador cuenta con 24 posiciones, que se dividen en un anillo exterior con 16 posiciones y un anillo interior con 8 posiciones. En el anillo exterior caben hasta 16 viales, lo que permite analizar hasta 64 muestras simultáneamente cuando se utiliza el molino planetario de bolas PM 400. Las 8 posiciones del anillo interior son adecuadas para realizar ensayos con diferentes aportes de energía, por ejemplo, para la investigación de la mecanosíntesis.

Como los viales son de vidrio, la velocidad del molino debe seleccionarse cuidadosamente, recomendamos un máximo de 500 rpm en el PM 300 y 550 rpm en el PM 100. La velocidad máxima de 400 rpm en el PM 400 no es crítica.

Para el cribado de co-cristales, un elevado aporte de energía generado por una alta velocidad es desventajoso, ya que puede provocar cambios en los compuestos químicos de las sustancias. Por ello, los resultados óptimos se obtienen a velocidades bajas o medias.