Твёрдый образец материала всегда должен быть достаточно подготовлен путём уменьшения размера и гомогенизации до того, как он будет подвергнут химическому или физическому анализу. Необходимо следить за тем, чтобы анализируемый образец полностью отражал исходный материал и чтобы процесс подготовки образца осуществлялся воспроизводимо. Только в этом случае гарантируются значимые результаты. Большинство образцов материалов можно восстановить до необходимой аналитической тонкости при комнатной температуре, выбрав мельницу с подходящим принципом уменьшения размера (удар, давление, трение, сдвиг, Резка).
Однако существуют пределы уменьшения размера при комнатной температуре, например, когда даже небольшое повышение температуры отрицательно влияет на образец; или когда материал очень эластичный, а вышеупомянутые принципы уменьшения размера вызывают только деформацию. Идеальное решение для таких типов образцов — холодное или криогенное Шлифование. Это включает в себя вспомогательные средства Шлифования, такие как жидкий азот (-196 °C) или сухой лёд (-78 °C), которые охрупчивают образец охлаждением и облегчают его разрушение. Ещё одно преимущество — сохранение летучих компонентов образца. В этой белой книге мы объясняем, для каких образцов применимы криогенные Шлифование, какие лабораторные мельницы подходят и какие другие аспекты необходимо учитывать.
Для каких материалов целесообразно криогенное Шлифование
Образцы с летучими компонентами
Материалы с летучими компонентами, такими как растворители (бензол, толуол, ПХД, ПХФ и т.д.), трудно подготовить должным образом для анализа, потому что повышение температуры при Шлифовании может привести к потере анализируемых веществ. Увеличение поверхности частиц в результате процесса Шлифования дополнительно способствует выбросу летучих веществ. Низкая температура жидкого азота или сухого льда существенно снижает высокое давление пара компонентов и охрупчивает матрицу проб. Таким образом, летучие компоненты практически не зависят от относительного повышения температуры, которое происходит в процессе Шлифования.
Образцы с упругим поведением
Многие Полимеры (пластики, такие как PP, PET, PA и т.д.), а также другие материалы демонстрируют вязко-эластичное поведение при Шлифовании, что приводит к пластической деформации. Это означает, что инициация трещин и, следовательно, их разрушение не происходит. Такие эластомеры, как силиконовая посуда для выпечки или резиновые шины, которые благодаря своей гибкости используются при комнатной температуре, имеют температуру так называемого стеклования намного ниже комнатной температуры. Если образцы эластичных пластмасс погружены в жидкий азот, их температура падает ниже температуры стеклования, что снижает способность материала противостоять высокому механическому напряжению за счёт упругого-пластичного поведения или вязкого потока. Если этот предварительно охлаждённый материал затем размалывается на мельнице, образец демонстрирует хрупкое поведение разрушения. Криогенное Шлифование также подходит для твёрдых пластмасс, даже если этот материал хрупкий при комнатной температуре. Для успешного процесса уменьшения размера температура образца не должна превышать температуру стеклования.
Биологические и медицинские образцы
Если биологические образцы подготовлены, например, для последующего извлечения нуклеиновых кислот из дрожжей, бактерий, растений или тканей человека/животного, они могут реагировать очень чувствительно к температуре во время и после процесса и даже могут быть уничтожены. В таких случаях криогенное Шлифование помогает улучшить процесс, охрупчивая группы клеток и клеточные стенки, облегчая их разрушение и замедляя последующее разложение фрагментов клеток. Нежелательные реакции клеток практически «замораживаются», погружая образец в LN2, чтобы можно было наблюдать активность клеток на более позднем этапе.
Липкие или жесткие образцы пищевых продуктов
Липкие или жёсткие образцы, такие как сыр, изюм, винная резинка или марципан, просто слипаются при размолотой при комнатной температуре и недостаточно однородны. Низкая температура криогенного процесса не позволяет образцу слипаться, чтобы он был тщательно гомогенизирован и пригоден для анализа.
Overview applications
| Образец | Mill | Аксессуары | Объем загрузк | Время измельчения | Скорость | Final fineness (d90) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| мармеладные мишки | MM 400 |
|
10 Pieces | 1 мин | 30 Hz | < 300 мкм |
| caoutchouc | CryoMill |
|
4 г | 2 мин | 30 Hz | < 500 мкм |
| E. coli bacteria | CryoMill |
|
10 ml frozen cell pellets | 2 мин | 30 Hz | complete cell disruption |
| пластик | ZM 300 |
|
40 г | 20 сек | 18,000 min-1 | < 500 мкм |
| вторичное топливо | ZM 300 |
|
150 г | 30 сек | 18,000 min-1 | < 0.75 mm |
| винная жвачка | GM 300 |
|
500 г | 40 сек + 20 сек | 18,000 min-1 + 4000 min-1 | < 0.8 mm |
| резиновая уточка | SM 300 |
|
5 Pieces | 40 сек | 3,000 min-1 | < 2 mm |
| Pills with liquid filling | RM 200 |
|
40 Pieces | 3 мин | 100 min-1 | < 250 мкм |
| мармеладные мишки | MM 500 control |
|
28 Pieces | 30 сек | 30 Hz | < 100 мкм |
| dried apples with herbs | MM 500 control |
|
30 г | 2 мин | 30 Hz | < 150 мкм |
| caramel sweets | GM 200 |
|
15 г | 2 мин | 4000 min-1 | < 300 мкм |
| chocolate with hazelnuts | GM 200 |
|
100 г | 4 мин | 10000 min-1 | < 1 mm |
Подходящие лабораторные мельницы для криогенного Шлифования
При выборе подходящей лабораторной мельницы для криогенного измельчения необходимо учитывать различные аспекты. С одной стороны, объем пробы имеет решающее значение для принятия решения, с другой стороны, важными факторами являются также размер подачи и желаемая окончательная тонкость. Смесительные мельницы MM 400 и CryoMill предназначены для обработки небольших объемов проб. Эти мельницы часто достигают более мелких размеров измельчения, даже при сложных пластмассовых пробах, чем, например, роторные мельницы, поскольку проба остается в течение более длительного периода времени внутри закрытой мельницы по сравнению с открытой камерой измельчения роторных мельниц. Образец непрерывно охлаждается в течение всего процесса измельчения на криомельнице даже при постоянной температуре -196 °C. Контроль MM 500 позволяет поддерживать выбранную температуру от -100 °C до 0 °C. Он позволяет поддерживать также больший объем пробы pf до 80 мл на партию.
Для таких температур допускается использование склянок из оксида циркония или карбида вольфрама. Для очень жестких образцов, таких, как большинство пластмасс, переплетение возможно только при самом холодном варианте - криомельнице. Роторные мельницы, мельницы для измельчения растворов, ножевые мельницы или режущие мельницы обрабатывают значительно большие объемы и размеры кормов, чем мельницы для смешивания. Однако принципы уменьшения размеров этих мельниц обычно позволяют получать большие размеры помола, особенно при измельчении пластмасс. Ножевые мельницы GRINDOMIX GM 200 или GM 300 обычно подходят для криогенного измельчения в основном пищевых образцов, при этом ограничение заключается в том, что только сухой лед и жидкость не могут использоваться для мельницы при низких температурах до -196 °C. (Замороженная баня, Розовая мельница с оксидом циркония или карбидом вольфрама). Однако не допускается перенос проб азота в качестве сухого льд
Mixer Mills MM 400, MM 500 nano, MM 500 vario, MM 500 control и CryoMill
Смесительные мельницы, например MM 400, MM 500 и CryoMill, идеально подходят для гомогенного определения небольших объемов пробы с максимальным размером подачи 8 мм. Эти мельницы оснащены двумя, соответственно одной или шестью, мельницами, в которые надежно зажимаются для измельчения мельницы с винтом, заполненные шлифовальными шариками и образцом. Закрытые шлифовальные склянки и, следовательно, образец охрупчиваются жидким азотом. Подходящие мельницы MM 400 или MM 500 изготавливаются из стали или PTFE; имеются также одноразовые пробирки или стальные трубки объемом 1,5, 2 и 5 мл. Необходимо следить за тем, чтобы жидкий азот не помещался в мельницы. Тепло трения в процессе измельчения приводит к переходу LN2 в газообразную фазу, что приводит к значительному повышению давления внутри мельницы. С помощью щипцов закрытая мельница помещается на 2-3 минуты в изоляционный контейнер, заполненный жидким азотом, а затем зажимается в вариант MM 400 или MM 500.
Вследствие высоких энергозатрат и, как следствие, фрикционного нагрева процесс измельчения не должен занимать более 3 минут, чтобы предотвратить разогрев образца и сохранить его разрывные свойства. Если требуется большее время измельчения, они должны прерываться промежуточным охлаждением закрытых мельниц. В отличие от двух упомянутых мельниц, CryoMill обеспечивает преимущество непрерывного охлаждения мельницы с жидким азотом, снижая температуру и снижая температуру образца до °C-196°C-196°C-196°C-196°C. Кроме того, гарантируется постоянная температура LN2 в течение длительного цикла измельчения, что даже не обеспечивает безопасного контакта с пользователем и не обеспечивает промежуточного цикла охлаждения.
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.
Режущая мельница SM 300
Вышеупомянутые аспекты, влияющие на выбор вспомогательного средства для Шлифования, также имеют значение при криогенном Шлифовании на Режущей мельнице SM 300. Эта мельница особенно подходит для обработки жёстких материалов, таких как подошва обуви или битум, и принимает большие размеры подачи, чем ZM 300. Даже грубо разрезанные и охрупчиваемые автомобильные шины могут быть однородными с SM 300. Ухрупчивый материал образца довольно твёрд, поэтому мы рекомендуем использовать 6-дисковый ротор, так как он больше похож на измельчитель. Он также подходит для резки разнородных образцов, таких как замороженные части курицы, включая кости. Для Шлифования тонкой пластиковой фольги, которая часто входит в состав топлива, получаемого из отходов, мы рекомендуем использовать сухой лёд из-за непрерывного охлаждающего эффекта в процессе Шлифования.
Ножевая мельница GRINDOMIX GM 200 и GM 300
Липкие и твёрдые образцы пищевых продуктов, такие как сыр, изюм, винодельческая резинка или марципан, идеально гомогенизируются с помощью Ножевой Мельницы GRINDOMIX GM 200 или GM 300. Даже шоколад, который становится просто пастообразным при обработке при комнатной температуре, может быть успешно отсыпан криогенным способом. Образец смешивается с сухим льдом в пропорции 1:2; через несколько минут он тщательно охлаждается и начинается процесс Шлифования. Сухой лёд постоянно охлаждает образец. При проведении криогенного Шлифования в GM 200 или GM 300 необходимо следить за тем, чтобы не использовались пластиковые принадлежности, так как они могут быть повреждены в процессе. Подходящими аксессуарами являются контейнер для Шлифования из нержавеющей стали, цельнометаллический нож и крышка с отверстием для испарения газообразного углекислого газа.
Шлифмашина RM 200
В растворошлифовальной машине образцы толкаются давлением и трением и подаются в процесс Шлифования столько, сколько требуется для достижения желаемой конечной тонкости. Растворошлифовальная машина RM 200 не является закрытой системой; в процессе Шлифования можно добавлять сухой лед или жидкий азот через окно в крышке. Для криогенного применения раствор и пестик должны быть изготовлены из нержавеющей стали. Таблетки с жидкой начинкой, например, могут быть успешно толкаемы в растворошлифовальной машине.
Overview RETSCH Mills for Cryogenic Grinding
| Mill | Feed size | Объем загрузк | Макс. конечная тонкость | Remark |
|---|---|---|---|---|
| CryoMill | < 8 mm | 1 x 20 ml | 50 мкм |
|
| MM 400 | < 8 mm | 2 x 20 ml | 100 мкм |
|
| ZM 300 | < 10 mm | 4000 ml | 300 мкм |
|
| GM 300 | < 40 mm | 2000 ml | 500 мкм |
|
| SM 300 | < 80 mm | 4000 ml | 2000 мкм |
|
| SM 300 | < 80 mm | 4000 ml | 2000 мкм |
|
| RM 200 | < 8 mm | 190 ml | 10 мкм |
|
| MM 500 nano | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 мкм |
|
| MM 500 vario | < 8 mm | 6x 20 ml | 100 мкм |
|
| MM 500 control | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 мкм |
|
| GM 200 | < 40 mm | 300 ml | 300 мкм |
|
Заключение
Retsch предлагает ряд лабораторных мельниц, которые позволяют щадяще и эффективно готовить криогенные образцы. Их использование значительно сокращает затраты и трудоёмкость низкотемпературного Шлифования. Выбор подходящего оборудования гарантирует безопасность процесса Шлифования.
Свяжитесь с нами для получения бесплатной консультации
Продукты и услуги RETSCH доступны через глобальную сеть дочерних компаний и дистрибьюторов. Наши сотрудники будут рады помочь Вам с любыми возникшими вопросами.
