Der Quantensprung in die Nano-Klasse

Planetenkugelmühlen sind schon lange Zeit ein beliebtes Werkzeug zum Feinst-vermahlen von Pulvern bis in den Mikrometer-Bereich. In vielen Industriebereichen ist dieser heute aber nicht mehr ausreichend. Die Forderung ist nun das Erzeugen von Nano-Partikeln (1nm = 10^-9m).

So ist z.B. die Pharmazeutische Industrie an der Herstellung neuer Medikamente mit Wirkstoffen im Nano-Maßstab interessiert. Wirkstoffe im Nano-Bereich werden vom menschlichen Körper sehr viel schneller als konventionelle Präparate aufgenommen, d.h. die bessere Bioverfügbarkeit ermöglicht es, die Dosierung von Medikamenten deutlich zu senken. Trotz geringerer Wirkstoffmenge erzielt man die gleichen therapeutischen Effekte, verringert aber gleichzeitig unerwünschte Nebenwirkungen. Auch in der Werkstoffforschung werden Nano-Partikel benötigt. So beschäftigen sich zahlreiche Forschungsgruppen weltweit mit der Entwicklung neuer Nano-Materialien zur effizienten Speicherung von Wasserstoff. Dies ist ein wesentlicher Baustein auf dem Weg zum Automobil der Zukunft.

Mit der FRITSCH premium line Planetenmühle ist nun der entscheidende Schritt in die Nano-Klasse gelungen. Die revolutionäre Neuerung der premium line ist das Versenken der Mahlbecher in der Sonnenscheibe der Mühle.
Das Mahlen von Materialien in den Nanometerbereich erfordert einen sehr hohen Energieeintrag und damit deutlich höhere Drehzahlen als herkömmliche Planetenmühlen erlauben. Konventionelle Planeten-Kugelmühlen zeichnen sich dadurch aus, dass die Mahlbecher auf der Sonnenscheibe der Mühle verspannt werden. Dies limitiert die maximal mögliche Drehzahl, denn ab einer bestimmten Grenz-Drehzahl werden die auf die Becher wirkenden Zentrifugalkräfte so hoch, dass die Verspannung die Becher nicht mehr halten kann. Schäden an der Mühle und den Bechern sind die Folge.
Das Versenken der Mahlbecher in der Sonnenscheibe der Mühle löst diese Probleme! Nun liegt der Schwerpunkt der Becher in der Ebene der Sonnenscheibe. Die auftretenden Zentrifugalkräfte erzeugen deutlich niedrigere Kippmomente, was wiederum eine deutlich höhere Drehzahl der Mühle erlaubt. So ist mit der neuen FRITSCH premium line eine Drehzahl von bis zu 1100 U/min, und damit ein bis zu 150% höherer Energieeintrag möglich. Die Mahldauer in den Nanometerbereich wird dadurch erheblich reduziert. Für bestimmte Materialien erlaubt erst dieser erhöhte Energieeintrag überhaupt Nano-Partikel mit Planetenkugelmühlen zu erzeugen.

Abb.1 zeigt einen Mahlversuch mit der neuen FRITSCH premium line im Vergleich zu einer konventionellen Planetenmühle. Aluminiumoxid Al₂O₃ wurde in einer Suspension unter Verwendung von 0,5 mm Zirkonoxid-Mahlkugeln vermahlen.
Der d₅₀ Wert des Ausgangsmateriales beträgt 21 µm. Bereits nach 60 Minuten liegt der d₅₀-Wert der Partikelgrößenverteilung gemahlen mit der FRITSCH premium line unter 300 nm. Dieser Wert wird mit der konventionellen Planetenmühle auch nach 240 Minuten noch nicht erreicht. Am Ende dieser Versuchsreihe (240 Minuten) wurde mit der neuen premium line ein d50-Wert der Partikelgrößenverteilung von 99 nm erreicht. Um noch kleinere Partikel zu erzeugen, empfehlen wir in einem nächsten Schritt noch kleinere Mahlkugeln zu verwenden.

Für den Routinebetrieb verfügt die premium line natürlich über die Möglichkeit verschiedene Mahlprogramme zu generieren und zu speichern. Als Parameter lassen sich Drehzahl, Mahldauer, Pausenzeiten und Revers-Modus variieren. So erzeugte SOP’s (Standard Operating Procedure) können mit einem Passwort geschützt werden. Die premium line verfügt über eine USB-Schnittstelle zur Integration in die IT-Struktur im Labor. Selbstverständlich kann mit einer speziellen Software sämtliche Parameter der Mahlung erfasst und gespeichert werden. Eine Validierung des Mahlprozesses wird somit ermöglicht.