В процессе шаровой мельницы лабораторных образцов явление оседания на дно и прилипания к банке обычно связано с несколькими факторами, такими как свойства материала, параметры процесса шаровой мельницы, выбор оборудования и методы эксплуатации. Конкретные причины следующие:

I. Факторы свойств материала

1. Чрезмерно высокая вязкость материала

•Принцип: Пробы, содержащие высокое количество органических веществ (например, определённые полимеры, глинистые минералы) или влаги (например, пробы, полученные путём мокрого измельчения), обладают сильными межчастичными силами, что делает их склонными к агломерации в комочки и прилипанию к стенкам банки или поверхности шаров для измельчения.

• Типичные сценарии: Биологические образцы (например, растительные ткани, бактериальные клетки), коллоидные растворы, непросушенная почва/суспензия и т.п.

2. Существенные различия в размере частиц

• Явления:

• Мелкие частицы (например, порошок наноразмера) обладают большой удельной поверхностью и высокой поверхностной энергией, легко адсорбируясь на стенках банки и образуя «липкий слой»;

• Крупные частицы (например, размером более 1 мм) имеют высокую скорость осаждения и откладываются на дне банки, образуя плотный слой, который затрудняет движение шариков для измельчения.

• Пример случая: При совместном измельчении кварцевого песка (крупного) и графена (тонкого) вероятно возникновение явления слоистой адгезии «крупное внизу, тонкое сверху».

3. Проблемы смачиваемости материалов

• Сценарии сухого измельчения: Гидрофобные материалы (например, графит, некоторые полимерные материалы) трудно размалываются шариками для измельчения и имеют тенденцию накапливаться на дне банки;

• Сценарии влажного измельчения: Несоответствие полярности между растворителем и материалом (например, измельчение маслянистых образцов водой) приводит к неравномерному распределению, локальной агломерации и прилипанию к банке.

II. Неправильные параметры процесса шаровой мельницы

1. Неразумное соотношение шариков к материалу

• Недостаточное соотношение шаров к материалу: Недостаточное количество шариков для измельчения не позволяет эффективно распределять материал, что приводит к взаимному выдавливанию и слипанию частиц (рекомендуемое соотношение шариков к материалу: 5:1 ~ 10:1; его следует корректировать в зависимости от твердости материала).

• Чрезмерное соотношение шариков к материалу: Слишком много шариков для измельчения занимают внутреннее пространство банки, препятствуя достаточному перемещению материала. Кроме того, тепло, выделяющееся при трении, может усилить адгезию вязких материалов.

2. Неподходящая скорость вращения

• Слишком низкая частота вращения: Недостаточная кинетическая энергия шлифовальных шаров не позволяет разрушать агломераты, в результате чего мелкие частицы оседают на дне, образуя «мертвый слой»;

• Слишком высокая скорость вращения: Центробежная сила заставляет шлифовальные шары прилипать к стенке банки и вращаться, что приводит к потере шлифующего эффекта. В то же время трение может вызвать размягчение и слипание материала (особенно это касается термочувствительных материалов, таких как пластмассы и асфальт).

3. Чрезмерно длительное или короткое время шлифования

• Слишком короткое время шлифования: Материалы не полностью распределены, и крупные частицы оседают и прилипают ко дну;

• Слишком длительное время шлифования: Чрезмерное измельчение мелких частиц приводит к резкому увеличению удельной поверхности и повышению адсорбционной способности, образуя плотный липкий слой (например, такой слой легко возникает при измельчении глинистых минералов до наноразмеров).

4. Неправильное использование растворителей/добавок

• Недостаточное количество растворителя для мокрого измельчения: Невозможность полного смачивания материала приводит к образованию сухих порошковых агломератов и прилипанию к емкости;

• Без добавления дисперсанта: Гидрофильные материалы (например, оксидные порошки) имеют тенденцию образовывать агломераты, связанные водородными связями, в воде. Для снижения поверхностной энергии следует добавлять диспергенты, такие как гексаметафосфат натрия.

III. Оборудование и факторы эксплуатации

1. Несоответствующий материал для банки шаровой мельницы

• Высокая адсорбционная способность материала: Стенки банок из нержавеющей стали склонны к холодной сварке и адгезии с определёнными металлическими порошками (например, железом, медью);

• Высокая шероховатость поверхности: Неполированные стенки банок или сильно изношенные банки легко удерживают материалы, образуя липкие пятна.

2. Единый тип и размер шаров для измельчения

• Размер одиночного шлифовального шарика: Использование только крупных шаров приводит к низкой эффективности измельчения мелких частиц, которые имеют тенденцию оседать на дне; использование только мелких шаров приводит к недостаточной способности дробления крупных частиц, что вызывает их накопление и агломерацию.

• Несоответствие материала: Использование стеклянных шариков для измельчения твёрдых материалов (например, керамики) чревато износом и образованием частиц мусора, что усугубляет прилипание сосуда.

3. Чрезмерная или недостаточная грузоподъёмность

• Перегрузка (превышение 2/3 объёма банки): Ограниченное пространство для перемещения материалов препятствует эффективному переворачиванию, и нижние материалы уплотняются и прилипают к банке;

• Недогрузка (меньше 1/3 объёма банки): Шары для измельчения непосредственно ударяются о стенку банки, выделяя значительное количество тепла, что приводит к локальному перегреву и слипанию материалов.

4. Нестандартные операционные процедуры

• Нет предварительной дисперсии перед сухой молотьбой: Агломерированные материалы добавляются непосредственно в банку, образуя крупные комки, которые прилипают ко дну на начальной стадии измельчения;

• Неправильная последовательность кормления при мокром измельчении: Если сначала добавить порошок, а затем растворитель, легко образуются «сухие комки порошка». Необходимо сначала добавить часть растворителя, чтобы смочить стенки банки, а затем постепенно добавлять порошок.

IV. Экологические факторы

1. Недостаточный контроль температуры

• Значительное выделение тепла при шлифовании: При обработке материалов высокой твёрдости или при длительной шлифовке отказ от использования охлаждающих устройств (например, ванны с ледяной водой, циркуляционной охлаждающей жидкости) приводит к размягчению материала, его плавлению и залипанию чаши (например, при шлифовании полимерных смесей).

2. Влияние окружающей влажности

•Гигроскопичные материалы: Такие вещества, как безводный сульфат меди и цементный клинкер, поглощают влагу и слеживаются в условиях высокой влажности, образуя вязкие комки при сухом измельчении.

•Осадка и прилипание к сосуду во время шаровой мельницы являются комплексными последствиями несоответствия свойств материалов и условий процесса. Рекомендуется провести системный анализ с учётом четырёх аспектов: дисперсности материала, кинетической энергии шаров для измельчения, адсорбции на границе раздела фаз и контроля температуры. Благодаря оптимизации предварительной обработки, корректировке параметров и адаптации оборудования риск прилипания к сосуду можно значительно снизить, одновременно повышая эффективность измельчения и однородность образцов.