遊星ボールミル 高エネルギー入力による粉砕

遊星ボールミル-機能原理

遊星ボールミルでは、それぞれのジャーが「惑星」を表しています。この惑星は円形のプラットフォーム、いわゆるサンホイールの上に位置しています。サンホイールが回転すると、ジャーはその軸の周りを回転しますが、反対方向に回転します。このとき、遠心力とコリオリ力が働き、粉砕ボールが急激に加速されます。その結果、非常に細かい粒子を作るために必要な粉砕エネルギーが非常に高くなる。粉砕ボールがジャーの一方の壁から他方の壁へと大きく加速されることで、試料に強い衝撃を与え、摩擦によってさらに粒径を小さくする効果が得られます。

コロイド粉砕やその他のほとんどの用途では、太陽電池ホイールの回転数と粉砕ジャーの回転数の比は1：-2です。これは、太陽電池ホイールが1回転する間に、粉砕ジャーが逆方向に2回転することを意味します。この速度比は一般的な遊星ボールミルの速度比です。エネルギー入力が大きく、回転数比が1:-2.5、あるいは1:-3の遊星ボールミルは、主にメカノケミカルアプリケーションに使用されます。

遊星ボールミル - アクセサリ

最適な材質の選び方

例えば、重金属の含有量を分析する場合、鋼製の研削工具の摩耗でクロムが混入し、分析結果の偽装につながる可能性があります。そのため、酸化ジルコニウムのような金属を含まない材料を選択する必要があります。

もう一つ考慮すべき点は、アクセサリが研削効率に与える影響である。ここでは2つの側面が重要です。

•     エネルギー入力（材料の密度に関係する）
•     材料の硬度

エネルギー入力

材料の密度が高くなると、投入エネルギーは大きくなる。炭化タングステンのように密度が高い材料では、密度の低い材料に比べて、一定速度での研削ボールの加速度が高くなります。つまり、ボールが試料に衝突するときのエネルギー入力が大きくなり、その結果、密度の高い材料ほど粉砕効果が高くなる。この効果は、硬くて脆い試料の粉砕に有効です。

一方、柔らかい試料の場合、エネルギー入力が大きすぎると、効果的な粉砕ができなくなることがあります。そのような場合、試料は実際には微粉末にならず、ジャー壁に付着して粉砕ボールを覆うような層が形成されます。このような場合、均質化は不可能であり、試料の回収も困難です。柔らかい試料の場合は、他の粉砕機、例えばローターミルの方が適しています。

硬度

適切な硬度を持つアクセサリを見つけるには、試料よりも硬い材質でなければならない。硬度が低いと、試料の粒子でボールが削られる可能性があります。

異なる材質のアクセサリ

例えば、鋼鉄製のジャーと酸化ジルコニウム製のボールのように、異なる材質のアクセサリを使用することはお勧めできません。第一に、両方の材料による摩耗が分析結果に影響を及ぼし、アクセサリの摩耗が増加します。

遊星ボールミル - 推奨される試料充填量

乾式粉砕

乾式粉砕では、通常、いわゆる3分の1ルールで最も良い結果が得られます。つまり、ジャー容積のおよそ3分の1を粉砕ボールで満たす必要があります。この法則に従えば、ボールが小さければ小さいほど、ジャー容積の3分の1を満たすために必要な量が多くなります。ジャー容積のもう3分の1は試料で満たす必要があります。残りの3分の1は、試料を高速で粉砕するために必要な粉砕エネルギーを得るために、内部のボールの動きを許容するための自由空間です。

この法則に従えば、必要な粉砕エネルギーが得られると同時に、摩耗を防ぐために十分な試料をジャーに入れることができます。

<sup>1. 3分の1の空間
2. 3分の1試料
3. 3分の1の粉砕ボール</sup>

繊維質な試料の場合

繊維質の試料や、粉砕すると体積が急激に減少するような試料は、試料の充填量を多くすることをお勧めします。摩耗を最小限に抑えるため、ジャーには十分な量の試料を入れる必要があります。必要であれば、数分後に試料を追加して、必要最小限の容積を維持することが可能です。

<sup>1. 3分の2試料
2. 3分の1の粉砕ボール</sup>

湿式粉砕用

100nm以下の粒子径を作るには、衝撃よりも湿式粉砕と摩擦が必要です。そのためには、表面積が大きく、摩擦点の多い小さな粉砕ボールを多数使用します。そのため、乾式粉砕工程で推奨される3分の1の充填量は、60％ルール、つまり、ジャーの60％が小さなボールで満たされることで交換される。サンプル量は約30%です。まず、小さなボールをジャーに入れ(重量で！)、次にサンプルを入れて混ぜます。最後に分散媒の液体を注意深く混ぜる。

<sup>1. 6分の1～3分の1試料＋液体
2. 3分の2の粉砕ボール</sup>

適切な粉砕ボールサイズの選び方

もう一つの目安は、粉砕ボールの大きさが試料の大きさの少なくとも3倍以上であることです。こうすることで、粉砕ボールが試料を素早く粉砕できるようになります。

最終的な粒度に適したボールサイズを見つけるには、通常、約1000倍の係数が適用されます。30 µm (D90) の粉砕を目的とする場合、最も適したボールサイズは 20 mm ～ 30 mm です。より小さな粒子が必要な場合は、ボールを取り外してより小さなボールと交換し、2回目のプロセスステップを行う必要があります。

大きなボールは小さなボールを押しつぶす可能性があるため、1回の粉砕工程で異なるサイズのボールを組み合わせることはお勧めできません。

遊星ボールミルによる湿式およびナノスケール粉砕

ナノテクノロジーでは、1～100 nmの粒子を扱います。これらの粒子は、体積に対して表面が大きく広がっているため、サイズに起因する特殊な特性（いわゆる「サイズ起因の機能性」）を持っている。例えば、超微粒子は大粒子に比べて硬く、割れにくいという特徴がある。

乾式粉砕では、小さな粒子は表面に帯電して凝集しやすいため、試料の粒径をある程度までしか小さくすることができない。そこで、粒子を分離させるために液体や分散媒が使われる。塩水は表面の電荷を中和するために使用されます。液体中の長鎖分子は、立体障害により粒子を分離することができる。

小さな粒子は体積に対して表面が著しく大きいため、その静電荷によって互いに引き寄せられる。表面電荷の中和は、緩衝剤の添加（静電的安定化、左）または長鎖分子の添加（立体的安定化、右）によってのみ可能です。

共結晶スクリーニングのための遊星ボールミルの使用

Co-crystals are solid materials composed of two or more molecular components. Co-crystal screening is the process of identifying suitable co-formers that form stable and desirable co-crystals with a target molecule. Co-crystal screening can be used to improve the physicochemical properties of, e.g., pharmaceuticals or agrochemicals such as solubility or stability. With a special adapter, co-crystal screening can be carried out in a planetary ball mill, using disposable vials such as 1.5 ml GC glass vials. Typically, a few 3 mm or 4 mm steel balls are used to mix the substances at low to moderate speed. If required, a few µl solvent are added. The process is usually finished in 30-120 min.

The adapter features 24 positions arranged in an outer ring with 16 positions and an inner ring with 8 positions. The outer ring accepts up to 16 vials, allowing for screening up to 64 samples simultaneously when using the Planetary Ball Mill PM 400. The 8 positions of the inner ring are suitable to perform trials with different energy input, e.g. for mechanosynthesis research.

As the vials are made of glass, the speed of the mill should be selected carefully, we recommend a maximum of 500 rpm in the PM 300 and 550 rpm in the PM 100. The maximum speed of 400 rpm in the PM 400 is not critical.

For co-crystal screening high energy input generated by high speed is disadvantageous as this might lead to alterations of the chemical compounds of the substances. Consequently, optimum results are obtained at low and moderate speed.