Измельчение. Основные способы измельчения твердых тел

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.

ПРЕССОВАНИЕ ПОРОШКООБРАЗНЫХ  МАТЕРИАЛОВ

Измельчение. Основные способы измельчения  твердых тел.

Измельчение - процесс деления твердого тела на части, при котором путем приложения внешних сил преодолеваются силы молекулярного притяжения в измельчаемом твердом теле и образуются новые поверхности.

Измельчение широко используется в технологических  процессах при изготовлении различных  лекарственных форм.

От  того, насколько мелко измельчено лекарственное вещество существенно  зависит и его терапевтическое  действие. Чем мельче порошок, тем  больше его поверхность и свободная  энергия поверхности, а следовательно, тем быстрее и полнее он может растворяться и всасываться в организме, проявляя свое действие.

Процессы  измельчения условно подразделяют на дробление (крупное, среднее и  мелкое) и измельчение или размол (тонкое и сверхтонкое).

Классификацию порошков по измельченности (фармакопея XI издания ):

- крупные;

- среднекрупные;

- мелкие;

- мельчайшие;

- наимельчайшие.

Измельчение принято называть крупным, если обрабатываются куски с поперечным размером от 1000 до 200 мм, средним и промежуточным - в пределах 250-50 мм, мелким - в пределах 50-20 мм и тонким (размолом) - в пределах 25-3 мм.

Измельчение тел достигается путем применения деформирующих усилий. В зависимости  от характера прилагаемой силы различают объемное и поверхностное измельчение.

При объемном измельчении приложенные силы перпендикулярны к поверхности измельчаемого тела, при этом оно испытывает деформации сжатия, растяжения, изгиба, кручения и др. Измельчение - процесс, который протекает через ряд последовательных стадий. Под влиянием приложенной силы тело подвергается упругой деформации, которая при достижении предела упругости переходит в пластическую. Когда превзойден предел прочности тела, напряжение в материале превышает внутренние силы сцепления частиц, наступает стадия его разрушения.

При поверхностном дроблении в основном используется деформация сдвига. В этом случае на тело действует две силы: одна перпендикулярно, а другая - параллельно его поверхности, при этом разрушение проходит через те же стадии, что и при объемном измельчении. В стадии разрушения с поверхности тела срываются тонкие пластинки и измельченный продукт имеет вид мелкого порошка.

На  практике не удается осуществить  отдельно каждый вид измельчения, поэтому  продукт получается неоднородным.

Степень измельчения  твердых тел

Процесс измельчения  характеризуется степенью измельчения, равной отношению среднего характерного размера D куска материала до измельчения к среднему характерному размеру d куска после измельчения:

В промышленности в  большинстве случаев требуются  высокие степени измельчения. Часто  размеры кусков исходного материала  достигают 1500 мм, тогда как в технологических процессах иногда используется материал, размеры частиц которого составляют доли микрона. Такие степени измельчения достигаются при измельчении в несколько стадий, поскольку за один прием (на одной машине) не удается получить продукт заданной конечной крупности.

В зависимости  от начальных и конечных размеров частиц материала условно различают  следующие виды измельчения (табл.1)

Таблица 1. Виды измельчения

Вид измельчения	D, нм	d, нм
Крупное	1500-150	250-25
Среднее	150-25	25-5
Мелкое	25-5	5-1
Тонкое	5-1	1-0,075
Коллоидное	0,2-0,1	до 1*10-4

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

Процесс измельчения связан со значительным расходом энергии на :

- образование новых поверхностей;

- преодоление сил сцепления между  частицами (преодоления внутреннего  трения частиц при их деформации  во время разрушения);

- преодоления внешнего трения  между измельчаемым материалом  и рабочими частями аппаратуры.

Для объяснения физических основ измельчения  академиком П.А.Ребиндером предложена единая теория измельчения.

Измельчение осуществляется под действием внешних сил, преодолевающих силы взаимного сцепления частиц материала. При дроблении куски  твердого материала сначала подвергаются объемной деформации, а затем разрушаются  по ослабленным дефектами (макро- и  микротрещинами) сечениям с образованием новых поверхностей. Куски продукта дробления ослаблены трещинами  значительно меньше исходных. Поэтому с увеличением степени измельчения возрастает расход энергии на измельчение.

Таким образом, работа, полезно затрачиваемая  на дробление, расходуется на объемную деформацию разрушаемых кусков и  на образование новых поверхностей.

Работа  А_D упругого деформирования объема разрушаемого куска пропорциональна изменению объема (деформированному объему):

А_D=kDV

где А_D - работа упругого деформирования, разрушаемого куска, Дж;

k- коэффициент пропорциональности, равный работе деформирования единицы объема твердого тела, Дж;

DV - изменение объема твердого тела, мл

Работа  А_П  образования   новой   поверхности   при   измельчении пропорциональна ее изменению:

А_П=sDF

где А_П- работа образования новой поверхности при   измельчении, Дж;

s- коэффициент пропорциональности, равный работе, затрачен ной на образование единицы новой поверхности твердого тела, образующейся при измельчении; зависит от свойств измельчаемого материала и определяется опытным путем, Дж;

DF - величина вновь образованной поверхности, м².

Полная  работа А внешних сил при дроблении выразится уравнением П.А.Ребиндера:

А=А_D + А_П=kDV + sDF

Данное  уравнение является частным выражением закона сохранения энергии, согласно которому процесс дробления характеризуется  переходом одного из видов энергии  твердого тела в другой. До разрушения тело обладает потенциальной энергией, т.е. находится под действием внешних  сил в состоянии упругой деформации. В результате разрушения потенциальная энергия переходит в кинетическую, причем энергия деформации превращается в тепло и рассеивается в окружающую среду.

При крупном дроблении величина вновь  образующейся поверхности, вследствие больших размеров исходного материала, сравнительно невелика. Поэтому в  уравнении первый член (kDV) значительно превышает второй (sDF) и расход энергии на дробление приблизительно пропорционален объему твердого тела.

При тонком измельчении вновь образующаяся поверхность очень велика; поэтому  второй член уравнения во много раз  больше первого. В связи с этим расход энергии на измельчение приблизительно пропорционален вновь образованной поверхности.

Таким образом, используя теорию измельчения, можно наметить правильную организацию  процессов измельчения и в  первом приближении определить затраты  энергии на эти процессы.

 

ПРЕССОВАНИЕ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Прессование является определяющей операцией при  изготовлении таблеток. В современных  промышленных прессах производится двустороннее сжатие порошка верхним  и нижним пуансонами. При движении пуансонов в матрице происходит ступенчатое изменение состояния  порошка, представленное на рис. 2.

Весь  процесс прессования разбивается  на три стадии прессования:

1) уплотнение   (подпрессовка),

2) образование компактного тела,

3) объемное сжатие образовавшегося  компактного тела.

В каждой из этих стадий протекают характерные  для нее механические процессы. В начале сжатия происходит перераспределение частиц: малые частицы укладываются в промежутках между большими и ориентируются в направлениях, обеспечивающих максимальное сопротивления сжатию (участки А и В на рис.) Усилия, преодолеваемые при этом незначительны, уплотнение становится заметным уже при малых давлениях. Прилагаемая энергия в основном расходуется на преодоление внутреннего (между частицами) и внешнего (между частицами и стенками матрицы) трения.

При увеличении давления в области ВС происходит интенсивное уплотнение материала за счет заполнения пустот и эластичная деформация частиц, которая способствует более компактной упаковке частиц. На этой стадии прессования из сыпучего материала образуется компактное пористое тело, обладающее достаточной механической прочностью.

После того, как частицы будут плотно сжаты в точках контакта, наблюдают  пластическую деформацию (отрезок СD). На этой стадии при высоких величинах давления, когда механическая прочность таблеток изменяется незначительно, происходит, возможно, объемное сжатие частиц и гранул порошка без заметного увеличения контактных поверхностей.

В действительности между тремя стадиями нет резких границ, так как процессы, протекающие во второй стадии, имеют  место в первой и третьей стадиях  к можно говорить только о преимущественной роли отдельных процессов в каждой из них.

Дальнейшее  увеличение давления приводит к разрушению кристаллов и образованию новых  плоскостей и поверхностей контактов.

Прочность таблеток

Прочность таблетки характеризуется усилием, которое необходимо затратить на деформацию, и в зависимости от вида деформации, выражается как прочность на раздавливание, излом или истирание. В области малых давлений прессования прочность линейно зависит от логарифма усилий прессования, при высоких давлениях эта зависимость отклоняется от линейной.

Прочность определяется упруго-пластичными свойствами прессуемой смеси и ее увеличение в результате повышения давления прессования может привести к  ухудшению распадаемости или растворения таблеток.

В то же время прочность обеспечивает способность таблеток к дальнейшим операциям, поэтому таблетки различных  размеров должны иметь различное  значение прочности для фасовки  и для покрытия оболочками (табл. 1).

Таблица 1

Значения  прочности для таблеток различного диаметра

Прочность таблеток существенна и для сохранения их целостности при фасовке, транспортировке  и хранении.

На  современных машинах для упаковки и отсчета таблеток, вследствие создаваемою  давления или вибрации, недостаточно прочные края таблеток могут разрушаться, что приводит к ухудшению их товарного  вида, частичной потере заданной дозировки, следовательно, к браку. Прочность таблетки зависит от свойств действующих и вспомогательных веществ, способа гранулирования, давления прессования и формы. Так, таблетки выпуклой формы или плоские с фаской значительно прочнее таблеток плоской формы. В последних, из-за остроты края, деформация наблюдается значительно чаще.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕССОВАНИЯ

Прочность таблеток, как уже отмечалось, обусловлена  количеством и прочностью контактов  между частицами в таблетке. Предложены три теории для описания связи  между частицами.

По МЕХАНИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ частицы вследствие эластической, пластической и хрупкой деформации увеличивают взаимную поверхность  контактов, что приводит к увеличению прочности. По этой теории, в результате приложенного давления, частицы сдвигаются, скользят относительно друг друга, что  приводит к взаимным переплетениям, зацеплениям; при этом энергия давления распределяется на три составляющих: энергию деформации, нагрева и  адсорбции. Влияние механического  сцепления частиц на прочность таблетки подтверждено экспериментами, в которых  показано, что чем сложнее поверхность  частиц, тем прочнее таблетка.

Но  все же эта теория не дает полного  представления о механизме образования  связей в фармацевтических композициях.

По  ТЕОРИИ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ СИЛ при  прессовании в точках контактов  между частицами возникают межмолекулярные  силы, вследствие остаточной энергии  на поверхности частиц.

Под влиянием давления прессования происходит сближение частиц и создаются условия для проявления сил межмолекулярного и электростатического взаимодействия. Например, ацетилсалициловая кислота, благодаря наличию водородных связей ОН-групп на поверхности кристаллов, прессуется при малых давлениях и образует таблетки с высокой прочностью, несмотря на то, что кристаллы имеют большую эластичность и большие значения энергии фрагментации. Большинство лекарственных порошков имеют кристаллическую структуру, каждому типу которой соответствует свой уровень потенциальной энергии связи, от чего в основном и зависит прочность таблетки. Потенциальная энергия этих связей различна и изменяется от единицы до сотен кДж/моль. Силы межмолекулярного взаимодействия проявляются при сближении частиц на расстояние около 10^-6-10^-7 см. Величина этих сил пропорциональна поверхности контакта, суммарная площадь контакта реальных твердых тел даже при сравнительно высоких величинах давления не превышает 1% от номинальной. Кроме силы мсжмолекулярного взаимодействия, при технологической обработке таблеточной массы (измельчение, просеивание, таблетирование и т.д.) «следствие трения происходит поляризация и возникновение на поверхности частиц поверхностных зарядов. На границе возникает контактная разность потенциалов, с повышением которой увеличиваются силы сцепления. На некоторых таблетках поверхностный заряд может достигать до 20 В.