O probă solidă trebuie întotdeauna pregătită suficient prin reducerea dimensiunii și omogenizare înainte de a fi supusă analizei chimice sau fizice. Trebuie avută grijă ca proba de analiză să reprezinte pe deplin materialul original și ca procesul de preparare a probei să fie efectuat reproductibil. Numai atunci sunt garantate rezultate semnificative. Majoritatea materialelor pentru probe pot fi reduse la finețea analitică necesară la temperatura camerei, alegând o moară cu un principiu adecvat de reducere a dimensiunii (impact, presiune, frecare, forfecare, tăiere).
Cu toate acestea, există limite pentru reducerea dimensiunii la temperatura camerei, de exemplu atunci când chiar și o mică creștere a temperaturii afectează proba într-un mod negativ; sau când materialul este foarte elastic, iar principiile de reducere a dimensiunii menționate mai sus provoacă doar deformare. Soluția perfectă pentru aceste tipuri de probe este măcinarea la rece sau criogenică. Aceasta implică adjuvanți de măcinare, cum ar fi azotul lichid (-196 °C) sau gheața carbonică (-78 °C), care fragilizează proba prin răcire și o fac să se rupă mai ușor. Un alt avantaj este conservarea componentelor volatile ale probei. În această lucrare informativă, explicăm pentru ce materiale de probă este aplicabilă măcinarea criogenică, ce mori de laborator sunt potrivite și ce alte aspecte trebuie luate în considerare.
Pentru ce materiale este recomandabilă măcinarea criogenică
Probe cu componente volatile
Materialele cu componente volatile precum solvenții (benzen, toluen, PCB, PCP etc.) sunt dificil de preparat corespunzător pentru analiză, deoarece o creștere a temperaturii în timpul măcinării poate duce la pierderea analiților. Suprafața crescută a particulelor rezultată în urma procesului de măcinare promovează și mai mult emisia de substanțe volatile. Temperatura scăzută a azotului lichid sau a gheții carbonice reduce substanțial presiunea ridicată de vapori a componentelor și fragilizează matricea probei. Astfel, componentele volatile sunt greu afectate de creșterea relativă a temperaturii care are loc în timpul procesului de măcinare.
Probe cu comportament elastic
Mulți polimeri (materiale plastice precum PP, PET, PA etc.), precum și alte materiale, prezintă un comportament vâsco-elastic în timpul măcinării, ceea ce duce la o deformare plastică. Aceasta înseamnă că nu are loc inițierea fisurilor - și, prin urmare, o rupere. Elastomerii, precum vasele de copt din silicon sau anvelopele din cauciuc, care, datorită flexibilității lor, sunt utilizați la temperatura camerei, au o așa-numită temperatură de tranziție vitroasă mult sub temperatura camerei. Dacă probele de plastic elastic sunt imersate în azot lichid, temperatura lor scade sub temperatura de tranziție vitroasă; acest lucru reduce capacitatea materialului de a rezista la solicitări mecanice ridicate prin comportament elastic-plastic sau curgere vâscoasă. Dacă acest material pre-răcit este apoi măcinat într-o moară, proba prezintă un comportament de rupere fragil. Măcinarea criogenică este potrivită și pentru materialele plastice dure, chiar dacă acest material este fragil la temperatura camerei. Pentru un proces de reducere a dimensiunii reușit, temperatura probei nu trebuie să depășească temperatura de tranziție vitroasă.
Probe biologice și medicale
Dacă se prepară probe biologice, de exemplu pentru extracția ulterioară a acizilor nucleici din drojdii, bacterii, plante sau țesuturi umane/animale, acestea pot reacționa foarte sensibile la temperatură în timpul și după proces și pot chiar fi distruse. În astfel de cazuri, măcinarea criogenică ajută la îmbunătățirea procesului prin fragilizarea grupurilor de celule și a pereților celulari, făcându-le să se destrame mai ușor și încetinind descompunerea ulterioară a fragmentelor celulare. Reacțiile celulare nedorite sunt practic „înghețate” prin imersarea probei în LN2, astfel încât activitățile celulare să poată fi observate ulterior.
Mostre de alimente lipicioase sau dure
Materialele lipicioase sau dure, cum ar fi brânza, stafidele, guma de vin sau marțipanul, se aglomerează pur și simplu atunci când sunt măcinate la temperatura camerei și nu sunt suficient omogenizate. Temperatura scăzută a procesului criogenic previne aglomerarea probei, astfel încât aceasta este complet omogenizată și potrivită pentru analiză.
Overview applications
| Sample | Mill | Accesorii | Feed quantity | Grinding time | Speed | Final fineness (d90) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| jeleuri | MM 400 |
|
10 Pieces | 1 min | 30 Hz | < 300 µm |
| caoutchouc | CryoMill |
|
4 g | 2 min | 30 Hz | < 500 µm |
| E. coli bacteria | CryoMill |
|
10 ml frozen cell pellets | 2 min | 30 Hz | complete cell disruption |
| plastic granulates | ZM 300 |
|
40 g | 20 s | 18,000 min-1 | < 500 µm |
| combustibili derivaţi din reziduuri | ZM 300 |
|
150 g | 30 s | 18,000 min-1 | < 0.75 mm |
| jeleuri | GM 300 |
|
500 g | 40 s + 20 s | 18,000 min-1 + 4000 min-1 | < 0.8 mm |
| rață de cauciuc | SM 300 |
|
5 Pieces | 40 s | 3,000 min-1 | < 2 mm |
| Pills with liquid filling | RM 200 |
|
40 Pieces | 3 min | 100 min-1 | < 250 µm |
| jeleuri | MM 500 control |
|
28 Pieces | 30 s | 30 Hz | < 100 µm |
| dried apples with herbs | MM 500 control |
|
30 g | 2 min | 30 Hz | < 150 µm |
| caramel sweets | GM 200 |
|
15 g | 2 min | 4000 min-1 | < 300 µm |
| chocolate with hazelnuts | GM 200 |
|
100 g | 4 min | 10000 min-1 | < 1 mm |
Mori de laborator adecvate pentru măcinarea criogenică
Atunci când se selectează o moară de laborator potrivită pentru măcinarea criogenică, trebuie luate în considerare diverse aspecte. Pe de o parte, volumul probei este crucial pentru luarea deciziei, iar pe de altă parte, dimensiunea alimentării și finețea finală dorită sunt, de asemenea, factori importanți. Morile de amestecare MM 400 și CryoMill sunt concepute pentru procesarea unor volume mici de probe. Aceste mori ating adesea dimensiuni de măcinare mai fine, chiar și cu probe dificile din plastic, decât, de exemplu, morile cu rotor, deoarece proba rămâne pentru o perioadă mai lungă în interiorul vasului de măcinare închis, comparativ cu camera de măcinare deschisă a morilor cu rotor. Proba este răcită continuu pe parcursul întregului proces de măcinare, în CryoMill chiar și la o temperatură constantă de -196 °C. MM 500 control este capabil să mențină o temperatură selectată de la -100 °C la 0 °C. Acesta oferă opțiunea de a măcina și un volum mai mare de probă, de până la 80 ml per lot.
Utilizarea vaselor din oxid de zirconiu sau carbură de tungsten este permisă pentru aceste temperaturi. Pentru probe foarte dure, cum ar fi majoritatea materialelor plastice, pulverizarea este posibilă doar la opțiunea cea mai rece – CryoMill. Morile cu rotor, mașinile de măcinat mortar, morile cu cuțit sau morile de tăiere procesează volume și dimensiuni de alimentare substanțial mai mari decât morile cu mixer. Cu toate acestea, principiile de reducere a dimensiunii acestor mori produc de obicei dimensiuni mai mari de măcinare, în special la măcinarea materialelor plastice. Mori cu Cuţite GRINDOMIX GM 200 sau GM 300 sunt potrivite pentru măcinarea criogenică, în principal a probelor alimentare, cu restricția că se poate utiliza doar gheață carbonică și nu azot lichid, deoarece moara nu este proiectată pentru temperaturi de până la -196 °C. Probele precongelate (congelator, baie de LN2 fără transfer de LN2 în moară) sunt acceptabile. Morile cu rotor și morile de tăiere, însă, acceptă atât gheață carbonică, cât și azot lichid ca adjuvanți de măcinare.
Datorită temperaturii foarte scăzute, azotul lichid este potrivit în special pentru materiale cu o temperatură de tranziție vitroasă sub -50 °C. Gheața carbonică are avantajul de a se evapora mai lent decât azotul lichid; În plus, poate fi amestecat cu proba pentru măcinare, extinzând astfel efectul de răcire. Acest lucru este deosebit de benefic pentru materialele cu capacitate termică redusă, care nu pot rezista la temperaturi scăzute, de exemplu foliile subțiri de plastic. Alimentarea probelor cu gheață carbonică este, în general, mai ușoară, mai ales dacă particulele sunt mai mici de 1 mm, decât extragerea materialului din azot lichid. În plus, gheața carbonică este mai sigură de manipulat, deoarece pericolul de asfixiere, de exemplu, este mult mai mic. De asemenea, gheața carbonică nu stropește în timpul măcinării, deoarece este amestecată complet cu materialul probei. Indiferent de aceste aspecte, trebuie respectate întotdeauna reglementările de siguranță corespunzătoare atunci când se lucrează cu adjuvanți criogenici de măcinare. Secțiunea următoare prezintă o gamă de mori de laborator potrivite pentru măcinarea criogenică.
Moara de amestecare MM 400, MM 500 nano, MM 500 vario, MM 500 control și CryoMill
Morile de amestecare, de exemplu MM 400, MM 500 vario și CryoMill, sunt perfect potrivite pentru omogenizarea unor volume mici de probe cu o dimensiune maximă de alimentare de 8 mm. Aceste mori dispun de două, respectiv una sau șase stații de măcinare în care recipientele de măcinare cu capac filetat - umplute cu bile de măcinare și probă - sunt fixate în siguranță pentru măcinare. Recipientele de măcinare închise, și astfel proba, sunt fragilizate cu azot lichid. Recipientele de măcinare adecvate pentru MM 400 sau MM 500 vario sunt fabricate din oțel sau PTFE; sunt disponibile și fiole de unică folosință sau tuburi de oțel de 1,5, 2 și 5 ml. Trebuie avut grijă ca azotul lichid să nu fie închis în recipientele de măcinare. Căldura prin frecare a procesului de măcinare face ca LN2 să intre în faza gazoasă, rezultând o creștere considerabilă a presiunii în interiorul recipientului de măcinare. Cu ajutorul unui clește, vasul de măcinare închis este plasat timp de 2 până la 3 minute într-un recipient izolator umplut cu azot lichid și apoi este fixat în MM 400 sau MM 500 vario.
Datorită consumului mare de energie și a căldurii rezultate prin frecare, procesul de măcinare nu ar trebui să dureze mai mult de 3 minute pentru a preveni încălzirea probei și pentru a-i păstra proprietățile de rupere. Dacă sunt necesari timpi de măcinare mai lungi, aceștia ar trebui întrerupți prin răcirea intermediară a vaselor de măcinare închise. Spre deosebire de cele două mori mixer menționate, CryoMill oferă avantajul răcirii continue a vasului de măcinare cu azot lichid, reducând temperatura vasului și a probei la -196°C în câteva minute. Astfel, se garantează o temperatură constantă de -196°C chiar și pentru timpi lungi de măcinare, fără a fi nevoie de cicluri intermediare de răcire. Mai mult, utilizatorul nu intră în niciun punct în contact cu azotul lichid, ceea ce face ca funcționarea CryoMill să fie sigură și ușor de utilizat. Funcția automată de pre-răcire asigură că procesul de măcinare nu începe înainte de a fi atinsă și menținută o temperatură de -196°C. Pentru măcinarea fără metale grele este disponibil un vas de măcinare cu oxid de zirconiu.
Această moară este cea mai potrivită mașină pentru a pulveriza chiar și cele mai dure materiale plastice. Moară MM 500 nano și MM 500 control funcționează cu diferite vase de măcinare și oferă și vase mai mari, cu un volum de până la 125 ml - astfel, se pot procesa până la 80 ml într-un singur lot. MM 500 nano oferă, de asemenea, un aport de energie foarte mare, de până la 35 Hz, ceea ce este benefic pentru zdrobirea eficientă a probelor și mai dure. Pentru MM 500 nano, manipularea este aceeași ca cea descrisă pentru MM 400 și MM 500 vario. O modalitate complet nouă de a face măcinarea criogenică este realizată în MM 500 control. Vasele sunt răcite prin intermediul plăcilor termice. Aici, dacă este atașat și un CryoPad, temperatura poate fi setată la o valoare între -100°C și 0°C. CryoPad controlează debitul de LN2 necesar pentru a menține temperatura setată. Această moară este optimă pentru probe precum dulciuri și alimente, deoarece aici sunt necesare doar temperaturi criogenice „moderate” de -40°C sau chiar -20°C pentru a pulveriza aceste probe. Deoarece temperatura este scăzută constant, iar temperatura negativă maximă este de -100°C, utilizarea borcanelor din carbură de tungsten și a borcanelor din zirconiu este permisă pentru măcinarea criogenică.
Grinding of small sample quantities in mixer mills
Mixer mills are designed to grind small sample volumes. With different adapters, single use tubes 1.5 ml, 2 ml or 5 ml can be used- but for cryogenic grinding those tubes have the negative aspect that they are embrittles as well and tend to break. In all Retsch Mixer Mills, 2 ml steel tubes can be used as well, which withstand the harsh conditions of cryogenic grinding. Also there are adapters for keeping 4 x 5 ml steel jars. The MM 500 nano and the MM 500 control furthermore offer the option to use 2 x 25 ml or 4 x 10 ml multi cavity jars.
Moară tăietoare SM 300
Aspectele menționate anterior care influențează alegerea unui adjuvant de măcinare sunt relevante și atunci când se efectuează măcinarea criogenică în Moară tăietoare SM 300. Această moară este potrivită în special pentru prelucrarea materialelor dure, cum ar fi tălpile de încălțăminte sau bitumul, și acceptă dimensiuni de alimentare mai mari decât ZM 300. Chiar și anvelopele auto tăiate grosier și fragile pot fi omogenizate cu SM 300. Materialul eșantionului fragil este destul de dur, prin urmare, recomandăm utilizarea rotorului cu 6 discuri, deoarece funcționează mai mult ca un tocător. De asemenea, este potrivit pentru tăierea probelor eterogene, cum ar fi părțile de pui congelate, inclusiv oasele. Pentru măcinarea foliei subțiri de plastic, care face adesea parte din combustibilii derivați din deșeuri, recomandăm utilizarea gheții carbonice datorită efectului continuu de răcire în timpul procesului de măcinare.
Moară cu cuțite GRINDOMIX GM 200 și GM 300
Probele alimentare lipicioase și dure, cum ar fi brânza, stafidele, guma de mestecat sau marțipanul, sunt perfect omogenizate cu moara cu cuțite GRINDOMIX GM 200 sau GM 300. Chiar și ciocolata, care devine pur și simplu pastoasă atunci când este procesată la temperatura camerei, poate fi pulverizată criogenic cu succes. Proba este amestecată cu gheață carbonică într-un raport de 1:2; după câteva minute se răcește complet și începe procesul de măcinare. Gheața carbonică menține proba rece tot timpul. Trebuie avut grijă să nu se utilizeze accesorii din plastic atunci când se efectuează măcinarea criogenică în GM 200 sau GM 300, deoarece acestea s-ar putea deteriora în timpul procesului. Accesoriile adecvate includ un recipient de măcinare din oțel inoxidabil, un cuțit complet metalic și un capac cu deschidere pentru a permite evaporarea dioxidului de carbon gazos.
Mașină de tocat mortar RM 200
Într-o mașină de măcinat cu mortar, probele sunt pulverizate prin presiune și frecare și sunt supuse procesului de măcinare atât timp cât este necesar pentru a obține finețea finală dorită. Mașina de măcinat cu mortar RM 200 nu este un sistem închis; este posibil să se adauge gheață carbonică sau azot lichid în timpul procesului de măcinare printr-o fereastră din capac. Pentru aplicații criogenice, mortarul și pistilul trebuie să fie fabricate din oțel inoxidabil. tablete cu umplutură de lichid, de exemplu, pot fi pulverizate cu succes într-o mașină de măcinat cu mortar.
Overview RETSCH Mills for Cryogenic Grinding
| Mill | Feed size | Feed quantity | Fineţe finală | Remark |
|---|---|---|---|---|
| CryoMill | < 8 mm | 1 x 20 ml | 50 µm |
|
| MM 400 | < 8 mm | 2 x 20 ml | 100 µm |
|
| ZM 300 | < 10 mm | 4000 ml | 300 µm |
|
| GM 300 | < 40 mm | 2000 ml | 500 µm |
|
| SM 300 | < 80 mm | 4000 ml | 2000 µm |
|
| SM 300 | < 80 mm | 4000 ml | 2000 µm |
|
| RM 200 | < 8 mm | 190 ml | 10 µm |
|
| MM 500 nano | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm |
|
| MM 500 vario | < 8 mm | 6x 20 ml | 100 µm |
|
| MM 500 control | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm |
|
| GM 200 | < 40 mm | 300 ml | 300 µm |
|
Conclusion
Pentru multe materiale, pulverizarea cu azot lichid sau gheață carbonică este singura modalitate posibilă de a obține o probă potrivită pentru analiza ulterioară. RETSCH oferă o gamă de mori de laborator care permit prepararea criogenică delicată și eficientă a probelor. Utilizarea lor reduce considerabil atât costul, cât și manopera necesară pentru măcinarea la temperatură joasă. O selecție de accesorii adecvate asigură că procesul de măcinare se desfășoară în siguranță.
Contact us for a free consultation
Filialele noastre, împreună cu o reţea vastă de companii şi agenţii înrudite din peste 80 de ţări, pun la dispoziţie, la nivel mondial, consultanţă de specialitate privind produsele şi aplicaţiile noastre, precum şi servicii de reparaţii comprehensive.
