关于实验室固体样品粉碎的原理

上一篇 / 下一篇  2011-01-06 13:17:28 / 个人分类:实验及实验方法

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对于实验室固体样品的粉碎,大多数情况下是通过机械粉碎的方式完成的。在选择研磨仪并准备开始处理样品之前,我们首先要对样品的特性做详细的考察,这些特性包括样品的密度,硬度,黏性,残留的水分以及油脂的含量等。同时,样品的温度稳定性,团聚性也会很大程度影响样品粉碎的效果。此外,对样品进行粉碎时,还要考虑的后续分析过程对样品粒度的要求。

 

固体样品的粉碎原理

 

实验室中,对不同性质的样品有不同的粉碎原理。对于硬脆性的样品,最适合的粉碎原理是冲击,挤压和摩擦。而对于柔软的,弹性,纤维质的样品,切割和剪切的原理更适合。尺寸大于40mm的样品可以用大型破碎机来处理,小于40mm的样品则可以用实验室级的研磨仪来处理。不同的粉碎原理的图示如下:

 

挤压

样品所受的作用力来自两个坚硬的表面,它们可能是两个研磨件的表面,也可能是与这个颗粒相邻的两个颗粒。采用这种粉碎原理的有:颚式破碎机,肘式破碎机。



撞击

样品所受的作用力来自一个坚硬的表面,它可能是一个研磨件,或者其他样品颗粒。采用这种粉碎原理的有:混合球磨仪,行星球磨仪,冲击磨,气流粉碎机。


 

摩擦

样品所受的作用力来自两个坚硬的表面,一个表面给予样品垂直的压力,同时样品在另外一个表面上做水平的运动。采用这种粉碎原理的有:臼式研磨仪,盘式研磨仪,手工臼式粉碎。

剪切

样品所受的作用力来自两个或者更多坚硬的表面,它们朝着相反的方向运动,从而产生剪切效应。这其中至少有一个表面是固定的。采用这种粉碎原理的有:旋转敲击式研磨仪,交叉敲击式研磨仪,超离心式研磨仪。

切割

样品所受的作用力来自两个或者更多带有倾斜边缘的表面,它们中至少有一个是固定的,其中一个的切割边缘是转动的。采用这种粉碎原理的有:切割式粉碎机,刀式粉碎机,家用粉碎机。

通常情况下,一台研磨仪可能综合应用了上述多种粉碎原理。

 


研磨仪的分类

 

实验室中常见的固体样品粉碎仪器包括:颚式破碎机,行星球磨仪,混合球磨仪,臼式研磨仪,盘式研磨仪,旋转式研磨仪,刀式研磨仪,切割式研磨仪等等。下面就这些仪器的结构,原理及应用领域做简单介绍:

 

颚式破碎机

其原理如图所示。它是利用挤压的原理将样品粉碎。两块强有力的颚板,一块固定,另一块往复运动。样品粉碎以后通过两块颚板下端的开口进入收集槽。粉碎后样品的粒径范围可达D90<0.5mm。可处理矿石,建筑材料,陶瓷,玻璃等样品。

 

球磨仪

球磨仪分混合球磨仪和行星球磨仪,二者原理不尽相同,但都是靠撞击和摩擦作用力来粉碎样品。球磨仪适合对样品做精细粉碎,粉碎后样品的粒径范围可达D90<1um(纳米级)。可处理绝大多数的固体样品。对于较难处理的温度敏感型样品,如塑料,橡胶,牙齿等,可通过冷冻处理之后,再进行粉碎。

 

臼式研磨仪

臼式研磨仪的原理与人工臼式粉碎类似。将样品置于研磨罐和臼杆之间,利用臼杆的垂直运动和研磨罐的水平旋转运动产生的挤压力和摩擦力将样品粉碎,粉碎后样品的粒径范围可达D90<10um。可处理莫氏硬度值不超过9的软性,硬性,脆性及糊状的样品。


盘式研磨仪

盘式研磨仪分为盘式振动研磨仪和常规盘式研磨仪两种。盘式振动研磨仪通过研磨盘的水平转动和其内的研磨件的相对运动,能将样品迅速粉碎成极细的粉末,可处理包括土壤,矿石,玻璃,炉渣,混凝土,陶瓷,煤等各种样品。常规的盘式研磨仪则利用两个相对运动的研磨盘,通过挤压力和摩擦力将样品粉碎,可处理金属矿石,炉渣,焦炭,陶瓷,粘土熟料等。

 

 

旋转式研磨仪

旋转式研磨仪通过撞击和剪切的原理来粉碎样品。通过选择合适的转刀和环筛,它能够处理从软性到中硬性的样品,包括土壤,化学品,药材,调味料,煤灰,种子及农作物等。

 

切割式研磨仪

切割式研磨仪的粉碎原理如图所示,通过转刀,切割棱与底筛的组合,利用剪切力和切割力来粉碎样品。切割式研磨仪可以粉碎软性,弹性,纤维质到中硬性的样品,包括有机无机废料,生活垃圾,合成材料,药品及包装材料,电路板,植物,橡胶,骨头,木材,皮料,布料等。

 

刀式研磨仪

利用转刀旋转切割的原理将样品粉碎。适合食品样品,如蔬菜,水果,肉类,鱼类等样品的粉碎。

 

 

研磨件材料的选择

 

研磨件指的是研磨仪中与样品直接接触,并参与样品粉碎过程的部件。研磨件通常包括研磨球,研磨罐,转刀,环筛,底筛,颚板,切割棱等等。研磨件的材料直接决定了样品粉碎效果的好坏以及对后续分析结果的影响。


 

 

研磨件的材料分类

 

下表中将不同材料的特性做了对比,如硬度,能量输入,耐磨性以及磨损可能带来的污染

材料

硬度

密度

能量输入

耐磨性

磨损可能带来的污染

不锈钢

(Stainless steel)

48-52 HRC

(550HV)

7.8 g/cm3

很高

FeCr

硬质钢

(Hardened steel)

58-63 HRC

(750HV)

7.85 g/cm3

很高

FeCrC

(污染要少于不锈钢)

碳化钨

(Tungsten carbide)

1200HV

14.8 g/cm3

极高

很好

WC(碳化钨)

玛瑙

(Agate)

硬脆性,6.5-7Mohs,约1000HV

2.65 g/cm3

很低

SiO2

烧结刚玉

(Sintered aluminum oxide)

硬脆性,8-8.5Mohs,约1750HV

3.9 g/cm3

Al2O3,SiO2,

氧化锆

(Zirconium oxide)

硬脆性,韧性好于玛瑙7.5Mohs,约1200HV

5.9 g/cm3

很好

ZrO2, Y2O3(极微量,不影响分析结果)

特氟隆

(Teflon)

弹性的,硬度D56

2.1 g/cm3

很低

很差

F, C

 

如何选择合适的研磨件材料

 

为了选择合适的研磨件材料,我们需要考虑多种因素。样品材料的硬度和破碎特征是首先要考虑的,研磨件的硬度必须要高于样品材料,以避免过度磨损。例如,粉碎硅砂不能用玛瑙的研磨套件,而要使用氧化锆研磨套件,因为氧化锆的硬度要高于硅砂。

 

研磨件的抗磨损性也需要重点考察。碳化钨和氧化锆材料的研磨套件有极好的抗磨损性,但在研磨过程中的磨损程度仍然受样品特性和所采用的粉碎原理影响。

 

在机械粉碎过程中,研磨件的磨损不能完全避免。因此,在选择研磨件材料时,还要考虑研磨件的磨损是否会对样品造成污染,从而影响后续分析结果。例如,铬和镍的污染会影响后续重金属分析的结果。

 

最后,对于球磨仪和盘式振动研磨仪而言,不同材料的能量输入特性也很重要。以碳化钨材料为例,这种材料的研磨球能产生高的多的能量输入,从能达到更好的粉碎效果。产生这种现象的主要原因是碳化钨具有更高的密度。

 

研磨件材料选型举例:

A.       如果要粉碎土壤样品来分析铁,铬,钴元素的含量,此时不锈钢或者硬质钢材料的研磨套件就不合适,因为它们包含这些待检测的元素。

B.       如果要粉碎水泥熔渣来分析钙或这二氧化硅的含量,则用钢材料的研磨套件比较合适。

C.       特氟隆,氧化锆和玻璃材料可以进行灭菌处理,因此,它们经常被用于处理食品和微生物样品。

 

研磨助剂的选择

 

对于机械粉碎而言,大部分样品均能通过选择合适的粉碎原理得到有效的处理。但对于部分特殊领域的样品,常规的实验室粉碎仪器并不能将其很好地粉碎。例如,不能做干燥处理的含水性样品,柔软而有弹性的样品,富含油脂的样品等。为了将这些样品粉碎成极细的粉末,通常需要添加一些研磨助剂。

 

研磨助剂通常是一些能激活,加速并提高化学或物理的过程的添加剂。在使用研磨助剂时,必须确保研磨助剂不会影响样品的后续处理。

 

研磨助剂按照其聚集形态可分为:

A.       固体(粉末,颗粒,丸状)助剂,用于锁住油脂或水分

B.       液体(水,酒精,挥发油)助剂,用于防止样品团聚

C.       气体(惰性气体,低温气体)助剂

D.       控温(使用液氮或干冰制冷,加热)助剂

 

固体助剂

 

如果需要将样品做处理,用于X射线荧光光谱分析时,可以将不影响样品分析结果的丸状固体助剂,加入样品材料中,以便于行星球磨仪或盘式振动研磨仪来粉碎样品。如果加入的比例适当,它们甚至可以提供样品粉碎的效果,避免样品结块。

 

添加硫酸钠助剂是一种常用的锁住样品中脂肪或水分以便后续分析的办法,例如,粉碎昆虫,小型海洋动物,潮湿土壤样品等。如果同时使用臼式研磨仪对样品做处理,则可以100%保证样品的还原性。

 

液体助剂

 

如果用球磨仪或臼式研磨仪来研磨含油的种子,如油菜籽,大豆,芥菜籽,添加一些挥发油助剂会很有用。它用来提取液体来进行含油量的分析。

 

陶瓷,冶金及矿物分析领域通常需要制备一些极细的粉末,这些样品的粉碎通常只能用湿法研磨的方式实现,而水或者异丙醇通常做为分散剂。球磨仪和臼式研磨仪特别适合于湿法研磨。

 

气体助剂

 

空气也能做为一种很好的研磨助剂。如果一台研磨仪的通风性能足够好,例如通过旋风分离器或气体过滤系统,使研磨过程中摩擦所产生的热量被持续大量地被带走,从而能够大大降低样品所承受的热量,同时提高样品的处理量。

 

惰性气体助剂能阻止粉碎过程中样品表面的活性粒子与氧气发生反应,保持样品的特性。

 

控温助剂

 

对样品做冷冻处理通常会大大降低样品粉碎的难度,因此,对一些对温度敏感的样品,如某些种类的塑料,在粉碎之前必须先对它们做冷冻处理。冷冻处理的方式包括:

 

1.将样品直接放入液氮中,样品的温度被迅速降到零下196摄氏度,此时,即使柔软的橡胶也会变得非常硬且脆,粉碎起来就很容易了;

2.也可以把样品与干冰混合,一起放入研磨仪中进行粉碎。

3.如果要处理的样品对环境非常敏感,那么就需要在粉碎过程中,让样品始终处于液氮冷冻的环境下,这样类型的研磨仪也可以找得到,如德国Retsch公司的全自动冷冻研磨仪。

 

但是,不允许受潮的样品不能采用冷冻粉碎的方式处理,因为当样品被冷冻时,空气中的水分也会凝结,而当粉碎完成,温度升高,它们会迅速融化成水分,从而使样品受潮。冷冻助剂(如液氮,干冰等)也不能直接放入完全密封的研磨室内,原因是控温助剂会在研磨过程中会由液态或固态转换为气态,导致研磨室内承受过大的压力。

 


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nowait1983 引用 删除 nowait1983   /   2011-01-08 12:05:43
谢谢博主分享,不错的文章。
miracle 引用 删除 miracle   /   2011-01-08 12:05:03
5
bshgao 引用 删除 bshgao   /   2011-01-06 13:23:55
这是以前写的一篇文章, 放在这里纯属自娱自乐

但文章中的图片显示不出来,比较郁闷!
 

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  • 更新时间: 2011-01-19

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