Операция измельчения

Процесс уменьшения размера частиц мате­риала, приводящий к увеличению удельной поверхности из­мельчаемого вещества, называется измельчением, или дроб­лением. В фармацевтической технологии процесс измельче­ния применяется в следующих случаях:

1) при получении товарного продукта — порошки, сборы, присыпки; 2) для обеспечения проведения основного процес­са (экстракции, растворения, грануляции); в этом случае измельчение является вспомогательным процессом.

При практическом осуществлении процесса измельчения необходимо знать, до какой степени следует измельчать ле­карственное вещество.

Степенью измельчения называют отношение размера наибо­лее крупных кусков измельченного материала до измельчения к размерам наиболее крупных кусков материала после измельчения.

Сверхтонкое измельчение приводит к получению коллоид­ных частиц.

В фармацевтической практике приходится иметь дело с двумя группами веществ:

Аморфными веществами — переохлажденные жидкости — стекло, смолы, полимеры (их иногда выделяют в особую группу твердых веществ).

Твердыми кристаллическими веществами.

Аморфные вещества характеризуются изотропией свойств, т. е. физические свой­ства данного вещества (упругость, теплопроводность, проч­ность и др.) распространяются совершенно одинаково по всем направлениям. Это означает, что при измельчении аморфное тело будет распадаться по самым разнообразным непредви­денным направлениям (неправильный излом). Если аморф­ное тело охладить, то оно будет образовывать ложно-кристаллическую структуру и станет более хрупким. Измельчать его будет легче.

Вообще силы сцепления между элементарными частицами аморфных тел невелики и аморфные вещества легко измель­чаются (смолы, полимеры, аморфный кремний, вольфрам и т. д.).

Кристаллические вещества характеризуются наличием кристаллической структуры. Кристаллы этой струк­туры могут быть самыми разнообразными по форме (в на­стоящее время различают 14 кристаллографических типов решеток).

По характеру взаимодействия между частицами различа­ют атомные, ионные и молекулярные решетки.

Кристаллические тела в отличие от аморфных отличаются анизотропией свойств — физические свойства кристалла не­одинаковы по различным направлениям. Прежде всего, это относится к механической прочности кристалла: кристаллы легче всего раскалываются по определенным плоскостям.

Цель измельчения кристаллических веществ заключается в разрушении кристаллической решетки, переводе тела в мел­кодисперсное состояние.

Для того чтобы быстро и с наименьшими затратами энер­гии провести измельчение кристаллических тел, необходимо знать строение и тип кристаллической решетки.

Как уже отмечалось, по типу взаимодействия между ча­стицами кристаллические решетки разделяют на:

Атомные кристаллические решетки, структурной едини­цей которых является атом. Он находится в узлах решетки и связан с соседними атомами решетки валентными связями. Решетка таких веществ электронейтральна, так как связь в ней между частицами характеризуется наличием парных электронов (2—4 пары). Эта связь очень прочная. Примером такого кристаллического тела является алмаз.

Ионные кристаллические решетки, которые имеют все вещества, относящиеся к группе электролитов (соли галоге­нов и щелочных металлов). Структурная единица такой ре­шетки — ион. Решетка представляет собой совокупность че­редующихся положительных и отрицательных ионов, распо­ложенных в узлах решетки.

Сила связи между частицами — ионами — электрическая, основанная на притяжении ионов по закону Кулона (кулоновы силы).

Силы сцепления по этому закону зависят от величины за­рядов ионов и расстояния между ними и являются достаточ­но прочными, поэтому кристаллические вещества, состоящие из многозарядных ионов, измельчаются труднее.

Молекулярные решетки полярных веществ (веществ с выраженной величиной дипольного момента), структурной единицей которых является молекула, имеющая характер ди­поля. Силы сцепления в таких решетках носят электрический характер.

В связи с наличием заряда молекулы в кристалле опреде­ленным образом ориентированы. Силы, ориентирующие мо­лекулы, называются ориентационными. При­мерами таких веществ являются фенол, салициловая кисло­та, барбитал.

Молекулярные решетки неполярных веществ, структур­ной единицей которых является неполярная молекула (т. е. молекула, у которой положительные и отрицательные центры совпадают). Силы сцепления и здесь носят электрический ха­рактер. Эти силы притяжения, как показал физик Ф. Лондон, являются результатом согласованных электромагнитных ко­лебаний и связаны с возникновением мгновенных диполей в молекулах неполярных веществ. Ф. Лондон назвал эти силы дисперсионными. Теория дисперсионного взаимодействия очень сложна, и мы не будем ее рассматривать. Дисперсион­ные силы взаимодействия довольно слабы.

К задачам измельчения относятся: 1) уменьшение рас­стояния между элементарными частицами и увеличение удельной поверхности вещества; 2) получение веществ с не­сколько измененными свойствами, в том числе и физико-химическими. Измельченные вещества лучше растворяются, быстрее и полнее участвуют в химических реакциях и т. д. Это объясняется как увеличением удельной поверхности ве­щества, так и обнажением большого числа чистых поверхно­стей и образованием свободных радикалов. Например, при измельчении силикагеля идет разрыв связей по поверхности кристаллов, обнажаются чистые поверхности, увеличивается удельная поверхность, что приводит к увеличению адсорбци­онной способности.

Различают два основных вида измельчения в зависимости от характера прилагаемой силы и свойств тела: 1) объемное дробление; 2) поверхностное дробление.

Объемное дробление. Сила при этом типе измельчения, вызывающая разрушение тела, приложена перпендикулярно к дробимому телу. Различают следующие виды объемного дробления: раздавливание, раскалывание, стесненный и сво­бодный удар. Процесс объемного дробления складывается из нескольких стадий: 1) стадии упругой деформации; 2) ста­дии пластичной деформации; 3) собственно дробления.

На стадии упругой деформации тело под влияни­ем приложенной силы подвергается деформации сжатия (т. е. сближению элементарных частиц по горизонтали и вер­тикали), при этом размеры тела уменьшаются. При сближе­нии элементарных частиц возрастают силы упругости, возникающие вследствие увеличения силы взаимного отталкивания. Эти силы упругости, противодействуя силам деформа­ции, подчиняются закону Гука, согласно которому напряже­ние деформированного тела пропорционально относительной деформации. Из этого закона следует, что чем больше дефор­мация, тем больше напряжение тела.

Если на этой стадии дальнейшее приложение сил прекра­тить, то сжатое тело приобретает свою первоначальную фор­му (отсюда понятие — обратимая, упругая деформация). Тело возвращается к первоначальной форме потому, что действие сил упругости направлено на восстановление его первоначальной формы.

При несколько больших напряжениях, превышающих пре­дел упругости, тело теряет свои упругие свойства и начинает деформироваться (каждому телу присущ определенный пре­дел упругости). Начало процесса деформации тела знамену­ет начало второй стадии измельчения — стадии пластич­ной деформации.

Происходящая на данной стадии по­теря упругих свойств телом выражается в изменении его формы. При напряжениях, превышающих предел упругости, возникают так называемые остаточные деформации. Но де­формация пластична и тело еще не разрушается. Если снять приложенную силу, то тело сохранит целостность новой фор­мы. Стадия заканчивается при достижении напряжения, рав­ного пределу прочности тела.

Если продолжать воздействие силы на тело, то оно начинает разрушаться. Наступает по­следняя стадия процесса измельчения — стадия собствен­но дробления. Она характеризуется тем, что для данно­го тела при превышении предела его прочности целостность кристаллической решетки тела нарушается, и она частично разрушается.

В теле (кристаллах) появляются микротрещины по пло­скостям спайки в кристалле, т. е. по плоскостям наименьшей прочности, после чего наступает его разрушение.

Прочность тела в огромной степени определяет количест­во энергии, которое на это дробление затрачивается.

Поверхностное дробление основано на деформации сдвига в случае, когда к телу приложены две силы: 1) перпендику­лярно к поверхности тела и 2) тангенциально (по касатель­ной к поверхности тела — параллельно его плоскости).

При таких условиях происходит перекос и срыв тонких пластин (слоев) с поверхности тела (отсюда и термин «по­верхностное дробление»). В этом случае стадии измельчения те же, что и при объемном дроблении (упругая и пластичная деформация и собственно дробление). Продукт при таком типе измельчения состоит из более мелких частиц.

В реальных условиях имеет место сочетание поверхност­ного и объемного дробления — продукт измельчения при этом будет состоять из частиц разного размера (крупных и мел­ких). Если необходим продукт с частицами определенного размера, то измельченный материал подвергают ситовой клас­сификации, т. е. просеиванию.

.