DE102018216190A1

DE102018216190A1 - Mahlkörper, Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung der Mahlkörper sowie Verwendung

Info

Publication number: DE102018216190A1
Application number: DE102018216190.9A
Authority: DE
Inventors: Bernd Halbedel; Mathias May; Rolf Baudrich
Original assignee: Rti Rauschendorf Tittel Ingenieure GmbH; Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Rti Rauschendorf Tittel Ingenieure GmbH; Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2018-09-24
Filing date: 2018-09-24
Publication date: 2020-03-26
Also published as: EP3857573C0; EP3857573B1; WO2020064430A1; EP3857573A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Mahlkörper zur Verwendung in einer elektromechanischen Zerkleinerungsanlage sowie eine entsprechende Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung solcher Mahlkörper. Dabei werden Mahlkörper mit geringem Mahlkörperverschleiß und großer Produktverträglichkeit bereitgestellt, die entsprechende magnetische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Solche Mahlkörper weisen einen hartmagnetischen Kern und wenigstens eine diesen umgebende verschleißfeste Beschichtung auf. Solche beschichteten, hartmagnetischen Mahlkörper sind in Mahlanlagen zur Zerkleinerung, Deagglomeration und/oder Dispergierung insbesondere von Substanzen einsetzbar, die in der Pharmazie, Biotechnologie und/oder Lebensmittelindustrie benötigt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Mahlkörper zur Verwendung in einer elektromechanischen Zerkleinerungsanlage (EMZ) sowie eine entsprechende Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung solcher Mahlkörper.
In einer solchen Zerkleinerungsanlage erfolgt eine Zerkleinerung, Deagglomeration und/oder Dispergierung von dispersen Stoffen und/oder pumpfähigen Mehrphasengemischen. Eine solche Zerkleinerungsanlage ist beispielsweise in der DE 10 2018 113 725 beschrieben.
Magnetische Mahlkörper werden in DD 240 674 B1 , DE 41 13 490 A1 , EP 0510 256 B1 sowie US 5 348 237 , die Vorrichtungen und Methoden zur elektromechanischen Zerkleinerung und/ oder Deagglomeration bzw. Dispergierung von dispersen anorganischen Feststoffen (Silikate, Oxidkeramiken, Pigmente) oder Mehrphasengemischen (Dispersionen) vorschlagen, als magnetische Arbeitskörper beschrieben, um damit intensive translatorische Querbewegungen und Taumelbewegungen mit elektromagnetischen Feldern, generiert von elektrischen Erregersystemen, und somit hinreichende mechanische Beanspruchungen auf das Edukt, zu erzeugen. Diese Arbeitskörper sind aus hartmagnetischen Material (z.B. Hexaferrite), besitzen eine kugel- oder tonnenförmige Gestalt mit einem Durchmesser bzw. einer Länge von 1,0 bis 4,0 mm und füllen die Prozesskammer der elektromechanischen Zerkleinerungsanlage zu mindestens 40 bis zu 90 Vol-%. Es ist zu erwarten, dass solche Arbeitskörper aus hartmagnetischen hexaferritischen Materialien in elektromechanischen Zerkleinerungsanlagen stark verschleißen, sodass das Produkt mit dem Verschleiß kontaminiert wird.
In DE 32 33 926 A1 wird eine elektromechanische Zerkleinerungs-, Misch- oder Rührvorrichtung vorgeschlagen, die dafür ferromagnetische Teilchen oder Körper benutzt, die aus Kohlenstoffstahl oder anderen Materialien bestehen, die die erforderlichen magnetischen und/ oder elektrischer Eigenschaften besitzen, zweckmäßig für die Feinzerkleinerung als Stifte mit einer Länge von 15 mm und einem Durchmesser von 2 mm auszuführen sind und die einen höheren magnetischen Leitwert in axialer Richtung aufweisen sollten. Solche Arbeitskörper sind nicht für die Zerkleinerung, Deagglomeration und Dispergierung von dispersen Stoffen, pumpfähigen Mehrphasengemischen geeignet, da die magnetischen Eigenschaften viel zu gering und deshalb ihre Bewegung und die damit ausgelösten Beanspruchungen unzureichend sind. Zudem werden mit ihrem Verschleiß Fremdstoffe ins Produkt eingetragen.
In DE 27 12 620 A1 werden vielfach magnetisch polarisierte Arbeitskörper vorgeschlagen, um eine zusätzliche Verungleichmäßigung der Arbeitskörperbewegung zu erreichen. Eine mehr-polige Magnetisierung ist jedoch sehr aufwendig und technisch nur an großen Arbeitskörpern (> 5 mm) realisierbar. Dann ist aber aufgrund des großen Lückenvolumens zwischen den Arbeitskörpern keine Feinzerkleinerung bzw. Deagglomeration und Dispergierung von Dispersionen möglich.
In DE 198 55 219 B1 wird zur Unterstützung der desintegrierenden Wirkung von niederfrequenten elektromagnetischen Feldern bei Biomassen der Einsatz von aufmagnetisierten, hartmagnetischen, inerten Arbeitskörpern, die aus einem Hartferrit bestehen und sphärisch ausgebildet sind, vorgeschlagen. Hartferrite sind zwar in Säuren und Laugen weitestgehend beständig, besitzen aber unzureichende mechanische Festigkeiten. Insbesondere die Bruchzähigkeit ist zu gering. Deshalb ist davon auszugehen, dass diese Arbeitskörper verschleißen, das Produkt kontaminieren, sowie bereits nach kurzen Betriebszeiten ersetzt werden müssen.
Weiterhin sind Patentanmeldungen bekannt, die die Mahlkörperbewegung mechanischer Mühlen (Kugelmühle: PL 382610 A1 bzw. WO 2014/065680 A1 , RU 2 319 546 , Mörsermühle: WO 86/01129 ) mit von außen auf den Mahlbehälter angeordneten Magnetsystemen elektromagnetisch unterstützen und damit die Effizienz des Mahlprozesses (z.B. Zementherstellung: EP 2 128 107 A2 ) verbessern wollen. Dabei werden Mahl- bzw. Arbeitskörper aus ferromagnetischem Material, vorrangig Kohlenstoffstähle, benutzt. Neben den geringen magnetischen Eigenschaften erwärmen sich solche Materialien sehr stark, da in ihnen infolge ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit Wirbelströme durch die sich ändernden Magnetfelder entstehen. Das senkt einerseits die Effizienz des Mahlprozesses und führt andererseits zu einer zusätzlichen Erwärmung des Produktes.
Ebenso ist aus EP 0 434 985 A1 bekannt, zum Mischen von Flüssigkeiten oder Dispergieren von Feststoffen in Flüssigkeiten und/ oder Mahlen von Feststoffen mittels Linearmotoren Sekundärelemente zu verwenden, die zur Erhöhung der Mischwirkung außen unregelmäßig geformt sind z.B. durch Zacken, Rippen o.ä. und aus magnetisierbaren Metallen (Eisen), einem Reaktionsmetall (Aluminium oder Kupfer), einem Verbund-Reaktionsmetall (Eisen/ Aluminium, Eisen/ Kupfer) oder magnetisierbaren Kunststoff oder Magnetgummi bestehen. Die Bestandteile werden in Sandwich-Bauweise, z.B. durch Kleben, zusammengefügt. Zusätzlich können solche Sekundärelemente mit einem unmagnetischen Material, z.B. Kunststoff, umhüllt werden. Keine der vorgeschlagenen Ausführungsformen stellt einen EMZ-Mahlkörper dar und kann als solcher in Zerkleinerungsanlagen (EMZ) zur Zerkleinerung, Deagglomeration und Dispergierung von dispersen Stoffen, pumpfähigen Mehrphasengemischen verwendet werden.
Darüber hinaus sind magnetische Arbeitskörper - sogenannte Magnetobeads - bekannt, die hauptsächlich in der Carrier-Technologie zur Biokatalyse, Immobilisierung, Separation und/ oder Analyse anwendet werden. Eine umfassende Übersicht dazu wird in der Veröffentlichung Pieters, B. R.; Williams, R. A.; Webb, C.: Magnetic carrier technology. In: Williams, R. A. (Ed.): Colloid and Surface Engineering: Applications in the Process Industries. Butterworth Heinemann, Oxford 1992, S. 249-286 gegeben. Diese bekannten Magnetobeads in Form von Partikeln oder Kugeln sind ausschließlich aus Magnetit bzw. gemischt mit einem Polymer (=Komposit) und haben je nach Anwendung Abmessungen im Bereich von 0,2-150 µm. Sie sind damit immer weichmagnetisch und somit nicht für die elektromechanische Zerkleinerung, Deagglomeration und Dispergierung von dispersen Stoffen, pumpfähigen Mehrphasengemischen geeignet.
Magnetische Polymerpartikel als Carrier für Enzyme, Bakterien, Zellen, RNS und Proteine werden in US 5 814 687 genannt, die mittels Mischen eines Monomers mit superparamagnetischen Teilchen und anschließendem Polymerisieren erzeugt werden.
Die Patentschrift DE 196 38 591 beschreibt Magnetpartikel, die als 50-1500 nm große monodisperse Si02-Kugeln mit einer Magnetpartikelschicht von < 60 nm Dicke aufgebaut sind.
In JP 0830 8570 wird vorgeschlagen, poröse Keramik mit 0,01-100 µm feinen paramagnetischen Partikeln zu mischen, die Mischung zu formen und dann zu sintern. Die Träger sind für die Immobilisierung auf dem Gebiet der Fermentation, Biochemie und Umwelttechnik geeignet.
Der folgenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mahlkörper mit geringem Mahlkörperverschleiß und großer Produktverträglichkeit bereitzustellen, die entsprechende magnetische und mechanische Eigenschaften aufweisen sowie eine entsprechende Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung solcher Mahlkörper.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein erfindungsgemäßer Mahlkörper zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Mahlkörper einen hartmagnetischen Kern und wenigstens eine diesen umgebende, verschleißfeste Beschichtung aufweist. Solche beschichteten, hartmagnetischen Mahlkörper sind in Zerkleinerungsanlagen zur Zerkleinerung, Deagglomeration und/oder Dispergierung insbesondere von Wirkstoffen einsetzbar, die in der Pharmazie, Biotechnologie und/oder Lebensmittelindustrie benötigt werden.
Es wurden beispielsweise Versuche in der EMZ nach DE 10 2018 113 725 durchgeführt, bei der entsprechende beschichtete hartmagnetische Kerne nach 10 Minuten im Batchbetrieb keinen gravimetrisch nachweisbarer Masseverlust aufwiesen.
Bei unbeschichteten Mahlkörpern wurde unter gleichen Bedingungen allerdings ein relativer Masseverlust von 1 bis 10 wt-% festgestellt. Solche Mahlkörper führen zu höheren Betriebskosten aufgrund des Verschleißes und sind mit Produkten der Pharmazie, Biotechnologie und/oder Lebensmittelindustrie nicht produktverträglich und folglich in entsprechenden Zerkleinerungsanlagen nicht erlaubt.
Die hartmagnetischen Kerne solcher Mahlkörper können eine Koerzitivfeldstärke von mindestens 50 kA/m, vorzugsweise mindestens 70 kA/m und insbesondere bevorzugt von mindestens 100 kA/m aufweisen. Weiterhin können sie eine Remanenz von > 50 mT, bevorzugt > 70 mT und insbesondere bevorzugt von > 100 mT aufweisen.
Die verschleißfeste Schicht ist beispielsweise eine Polymerschicht. Diese weist entsprechende physikalische und/oder chemische Eigenschaften auf, die bei dem oben genannten Einsatz der Mahlkörper von Vorteil ist.
Der hartmagnetische Kern kann sphärisch ausgebildet und entsprechend magnetisierbar sein.
Weiterhin kann die Beschichtung in Abhängigkeit von einer Kerngröße, insbesondere Kerndurchmesser, eine Dicke von 5 µm bis 500 µm und bevorzugt von 10 µm bis 300 µm aufweisen. Die sphärische Gestalt der hartmagnetischen Kerne kann dabei einen Durchmesser von 0,1 mm bis 10 mm aufweisen.
In der Regel kann die Polymerschicht bzw. Beschichtung geschlossen sein und/oder zwischen Polymerschicht und hartmagnetischem Kern kann wenigstens eine Primerschicht als haftvermittelnde Schicht angeordnet sein. Außerdem kann die Oberfläche der Beschichtung geglättet sein.
Bei der Herstellung der Mahlkörper werden zunächst die hartmagnetischen Kerne auf ihrer Oberfläche zur Verbesserung der physikalischen und/oder chemischen Haftfähigkeit mechanisch und/oder chemisch behandelt, um die Oberflächenrauheit zu vergrößern. Anschließend können die hartmagnetischen Kerne magnetisiert und dann einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung der Mahlkörper zugeführt werden.
Eine solche Vorrichtung weist wenigstens einen Reaktor auf, der durch einen gasdurchlässigen Boden in einen unteren, materialfreien Bereich und einen oberen, materialführenden Bereich unterteilt ist. Der materialführende Bereich dient zur Aufnahme von fluidisiertem, dispersem Beschichtungsmaterial und fluidisierten, hartmagnetischen Kernen. Weiterhin ist der materialführende Bereich von einem Magnetsystem zur Fluidisierung der hartmagnetischen Kerne umgeben.
Dabei werden die vorbehandelten hartmagnetischen Kerne, siehe die obigen Ausführungen, dem Reaktor zugeführt, in dem sich bereits das Beschichtungsmaterial in disperser Form befindet. Die hartmagnetischen Kerne werden vor Zuführung und/oder im Reaktor auf eine Temperatur größer als eine Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials, aber kleiner als eine Curie-Temperatur der hartmagnetischen Kerne aufgeheizt.
In dem materialführenden Bereich des Reaktors werden die hartmagnetischen Kerne dann von dem Magnetsystem bzw. dem von diesem erzeugten Magnetfeld fluidisiert, so dass Partikel des Beschichtungsmaterials in Kontakt mit den Oberflächen der hartmagnetischen Kerne treten und dort aufgrund der Temperatur aufschmelzen. Durch Entzug der Schmelzwärme erstarren die Partikel des Beschichtungsmaterials. Nach einer hinreichenden Verweilzeit im Reaktor sind die hartmagnetischen Körper vorzugweise vollständig und gleichmäßig mit dem Beschichtungsmaterial beschichtet.
Anschließend können die hartmagnetischen Kerne mit ihrer Beschichtung als fertiggestellte Mahlkörper aus dem Reaktor abgeführt, abgekühlt und ggf. nachbehandelt werden. Diese Mahlkörper sind dann zur Verwendung in elektromechanischen Zerkleinerungsanlagen in magnetisiertem Zustand oder auch entmagnetisiert in mechanischen Zerkleinerungsanlagen zur Zerkleinerung, Deagglomeration und/oder Dispergierung von dispersen Stoffen und/oder pumpfähigen Mehrphasengemischen auch bei Anwendungsgebieten aus dem Gebiet der Pharmazie und dergleichen sehr gut geeignet und zeichnen sich durch geringen Materialverschleiß und hohe Produktverträglichkeit aus.
Weiterhin zeichnen sich die erfindungsgemäßen Mahlkörper dadurch aus, dass sie im entmagnetisierten Zustand auch in Kugelmühlen, wie beispielweise Rührwerks-Kugelmühlen oder dergleichen, zur Zerkleinerung, Deagglomeration und/oder Dispergierung von Wirkstoffen bzw. allgemein organischen Materialien einsetzbar sind.
Gegenüber bekannten Mahlkörpern zeichnen sich die erfindungsgemäßen Mahlkörper weiterhin durch eine höhere Dichte aus, so dass bei gleichen Betriebsparametern von Kugelmühlen eine höhere Bearbeitungsintensität möglich ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung solcher Mahlkörper weist im entsprechenden Reaktor einen gasdurchlässigen Boden auf. Weiterhin kann der Reaktor unterhalb dieses Bodens eine Gaseinleitöffnung aufweisen. Dadurch ist ein Gasstrom in den materialführenden Bereich einleitbar, der beispielsweise die Fluidisierung der Partikel des Beschichtungsmaterials sowie auch eine Fluidisierung der hartmagnetischen Kerne unterstützt. Die hauptsächliche Fluidisierung der hartmagnetischen Kerne erfolgt allerdings durch das den Reaktor umgebende Magnetsystem.
Um dem Reaktor auf einfache Art Material zuzuführen bzw. entnehmen zu können, kann oberhalb des Bodens zumindest eine verschließbare Öffnung zur Zufuhr von Kernen, von Beschichtungsmaterial und/oder zur Entnahme der fertiggestellten Mahlkörper ausgebildet sein. Natürlich ist auch die Anordnung von mehreren Öffnungen zur getrennten Zufuhr entsprechender Stoffe möglich.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass das den Reaktor oberhalb des gasdurchlässigen Bodens vollständig umgebende Magnetsystem eine entsprechende Fluidisierung von erhitzten, magnetisierten hartmagnetischen Kernen ermöglicht. Dazu kann das Magnetsystem wenigstens eine Spule aufweisen, die den Reaktor vollständig umgibt.
Um die hartmagnetischen Kerne ausreichend erwärmen zu können, kann insbesondere einem oberen Endbereich des Reaktors ein beheizbarer und insbesondere trichterförmiger Behälter zugeordnet oder dort angeordnet sein, in dem zuvor magnetisierte hartmagnetische Kerne zum Aufheizen anordenbar sind. Ein Heizen der hartmagnetischen Kerne erfolgt auf eine Temperatur, die kleiner als eine entsprechende Curie-Temperatur der hartmagnetischen Kerne und größer als eine Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials ist.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, im Bereich einer Verbindung zwischen Reaktor und dem trichterförmigen Behälter ein weiteres Magnetsystem anzuordnen. Dies wird vorzugsweise periodisch impulsartig mit einem Strom betrieben. Stromimpulshöhe und -dauer können so gewählt werden, dass kurzzeitig zumindest in einem unteren Bereich des trichterförmigen Behälters angeordnete hartmagnetische Kerne so beeinflusst werden, dass deren gegenseitige magnetische Anziehung aufgehoben und somit in Folge der magnetischen Zugkraft durch dieses weitere Magnetsystem und der Schwerkraft eine bestimmte Menge von Kernen in den materialführenden Bereich des Reaktors fällt. Die zugeführte Menge der hartmagnetischen Kerne kann durch Stromimpulshöhe und Impulsdauer einstellbar sein.
Es wurde bereits auf entsprechende Öffnungen im Reaktor hingewiesen, wobei vorzugsweise im oberen Endbereich des Reaktors wenigstens eine seitliche Öffnung zur Entnahme beschichteter hartmagnetischer Kerne, d. h. der fertiggestellten Mahlkörper, angeordnet sein kann.
Es besteht die Möglichkeit, dass bereits vorgeheizte und magnetisierte hartmagnetische Kerne dem Reaktor zugeführt werden. In diesem Zusammenhang kann es sich allerdings als vorteilhaft erweisen, wenn im materialführenden Bereich eine weitere Heizeinrichtung angeordnet ist. Durch diese kann das Beschichtungsmaterial erwärmt werden, wobei allerdings auch Wärmeverluste oder eine direkte Erwärmung der fluidisierten, hartmagnetischen Kerne kompensiert bzw. erfolgen kann.
Ein Beispiel für eine Heizeinrichtung ist ein Aufheizen mit Mikrowellen, wobei eine entsprechende Mikrowellenantenne, die mit einem steuerbaren Mikrowellengenerator verbunden ist, im materialführenden Bereich angeordnet sein kann. In diesem Zusammenhang sollte der Reaktor oberhalb des gasdurchlässigen Bodens aus einem mikrowellen-nichtabsorbierenden Material gebildet sein.
Bevorzugt kann insbesondere oberhalb des gasdurchlässigen Bodens und insbesondere im materialführenden Bereich wenigstens ein Temperatursensor vorgesehen sein. Dieser kann zur Erfassung der mittleren Temperatur im Reaktor und/oder des Beschichtungsmaterials und/oder der hartmagnetischen Kerne dienen. Es sind natürlich auch mehrere Temperatursensoren denkbar, die beispielsweise unterschiedlichen Bereichen des Reaktors zugeordnet sein können.
Verfahrensmäßig ist darauf zu achten, dass durch die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise ein Magnetisieren der hartmagnetischen Kerne und ein Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur und unterhalb der Curie-Temperatur erfolgt. Diese magnetisierten und erwärmten hartmagnetischen Kerne werden dann durch das entsprechende, sich zeitlich und örtlich ändernde Magnetfeld des Magnetsystems fluidisiert. Anschließend erfolgt ein Aufschmelzen des ebenfalls fluidisierten, pulvrigen Beschichtungsmaterials auf Oberflächen der erwärmten hartmagnetischen Kerne, so dass sich eine Beschichtung bilden kann.
Wenn sich eine, vorzugsweise geschlossene, Beschichtung gebildet hat und zusätzlich eine gewisse Sollschichtdicke erreicht ist, können die auf diese Weise hergestellten Mahlkörper abgeführt und auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
In dem Reaktor wird durch ein weiteres Magnetsystem ein sich zeitlich und örtlich änderndes Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetsystem weist wenigstens eine Spule auf und umgibt den Reaktor oberhalb des gasdurchlässigen Bodens. Das Magnetsystem wird von Wechselströmen durchflossen und weist beispielsweise in der Mitte des gasdurchlässigen Bodens eine magnetische Flussdichte mit einem Effektivwert von mindestens 5 mT auf, wobei die Frequenzen der Wechselströme der Masse der hartmagnetischen Kerne anzupassen ist. Ein solches Magnetfeld dient beispielsweise zur Fluidisierung der hartmagnetischen Kerne in dem materialführenden Bereich des Reaktors.
Um eine ausreichende Magnetisierung der hartmagnetischen Kerne bereits vor Zufuhr zum Reaktor zu erreichen, kann bereits außerhalb des Reaktors, vorzugsweise durch Impulsmagnetisierung, eine entsprechende Magnetisierung erfolgen. Vor einer solchen Magnetisierung außerhalb des Reaktors kann es sich als günstig erweisen, wenn Oberflächen der Kerne durch mechanische und/oder chemische Methoden aufgeraut werden. Dies verbessert die Haftung des Beschichtungsmaterials.
Erfindungsgemäß besteht weiterhin die Möglichkeit, dass eine vollständige oder zumindest teilweise Erwärmung der hartmagnetischen Kerne bereits nach ihrer Magnetisierung und noch außerhalb des Reaktors erfolgt. Ebenfalls besteht die Möglichkeit, dass die hartmagnetischen Kerne im Reaktor auch bereits im fluidisierten Zustand mittels einer Heizeinrichtung und beispielsweise durch Mikrowellen erhitzt werden.
Um die Haftung weiter zu verbessern, besteht außerdem die Möglichkeit, dass die hartmagnetischen Kerne mit einem Haftvermittler beschichtet werden. Dies kann vor der Magnetisierung erfolgen.
Weiterhin können extern vorbeschichtete und magnetisierte hartmagnetische Kerne, die dem Reaktor zugeführt werden mit der Mikrowelle aufgeheizt und vollständig beschichtet werden.
Erfindungsgemäß besteht weiterhin die Möglichkeit, entsprechend fertiggestellte Mahlkörper aus dem Reaktor zu entnehmen und im Wesentlichen gleichzeitig eine äquivalente Menge magnetisierter hartmagnetischer Kerne dem Reaktor neu zuzuführen. Dadurch kann im Wesentlichen immer eine gleiche Menge von solchen Kernen zur weiteren Behandlung im Reaktor bevorratet werden.
Die Entnahme der fertiggestellten Mahlkörper aus dem Reaktor bzw. auch deren Zufuhr kann ggf. manuell erfolgen. Entsprechend fertiggestellte Mahlkörper können nach ihrer Entnahme aus dem Reaktor geglättet werden, beispielsweise durch Trommeln (Gleitschleifen).
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Mahlkörper ggf. nach Größe zu sortieren und, bei Erfordernis, neu zu magnetisieren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung der Mahlkörper ist ebenfalls dazu geeignet, bereits benutzte Mahlkörper neu zu beschichten. Dazu kann bei solchen Mahlkörpern ggf. eine vorhandene Restbeschichtung entfernt werden und auch die Kernoberflächen mit den bereits beschriebenen Methoden (mechanische und/ oder chemische Aufrauhung und/ oder Aufbringen einer Primerschicht) vorbehandelt werden. Diese können dann in Form der verbleibenden hartmagnetischen Kerne der erfindungsgemäßen Vorrichtung wieder zugeführt werden.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäßen Mahlkörper zur Verwendung in elektromechanischen Zerkleinerungsanlagen zur Zerkleinerung, Deagglomeration und/oder Dispergierung von Wirkstoffen verwendet werden können, die in der Pharmazie, Biotechnologie und/oder Lebensmittelindustrie benötigt werden. Dies gilt ebenfalls für Kugelmühlen, wobei in diesem Fall die Mahlkörper vorher entmagnetisiert werden können.
Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen

1: eine Anzahl von hartmagnetischen Kernen;
2: für ausgewählte hartmagnetische Kerne ermittelte Hysteresekurven;
3a: einen unbehandelten hartmagnetischen Kern;
3b: einen oberflächenbehandelten hartmagnetischen Kern;
4a: eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer Oberfläche eines unbehandelten hartmagnetischen Kerns;
4b: eine behandelte Oberfläche eines hartmagnetischen Kerns analog zu 4a;
5a: eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Querschliffs eines beschichteten hartmagnetischen Kerns;
5b: eine Aufnahme analog zu 5a mit anderer Schichtdicke der Beschichtung;
6: ein Diagramm zur Darstellung unterschiedlicher Schichtdicken in Abhängigkeit von der Temperatur des fluidisierten Beschichtungsmaterials;
7: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
8: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
9: ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
10: ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
11a: einen Mahlkörper mit Beschichtung; und
11b: einen Mahlkörper analog zu 11a nach Glätten der Oberfläche.

1 zeigt eine Anzahl hartmagnetischer Kerne 6, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel kugelförmig bzw. sphärisch ausgebildet sind und einen Durchmesser von 1 - 1,6 mm aufweisen. Andere Durchmesser sind ebenfalls einsetzbar. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die hartmagnetischen Kerne aus Strontium-Hexaferrit (SrFe₁₂O₁₉). Es sind andere Materialien verwendbar, die insbesondere Koerzitivfeldstärken 21, siehe 2, von beispielsweise > 50 kA/m und Remanenzen 22 von > 50 mT aufweisen. Solche Materialien sind Seltene-Erden-Magnete aus den Stoffsystemen Nb-Fe-B, Pr-Fe-B oder Sm-Co, AINiCo-Werkstoffe und auch Fe-CrCo-, PtCo- und MnAIC-Legierungen.
Die in 1 dargestellten Kerne mit entsprechenden Größen wurden mittels eines Vertropfungsverfahrens aus einem stabilen Slurry, der Strontium-Hexaferrit-Partikel enthält, mit anschließender Trocknung und Sinterung hergestellt. Andere Größen von hartmagnetischen Kernen kleiner als 1,0 mm oder größer als 1,6 mm und andere Formgebungsverfahren wie Pressen, Brikettierung, Sprühtrocknung, Wirbel- oder Fließbettgranulation oder einfache Pelletierung der Ausgangsstoffe mit anschließenden Temperaturbehandlungen bis zur Sinterung sind ebenfalls möglich. Solche Formgebungsverfahren bestimmen die machbaren Größen, Formen und Festigkeiten sowie die Oberflächenmorphologie der hartmagnetischen Kerne.
2 stellt ein Diagramm dar, mit durch ein Probenvibrationsmagnetometer ermittelten Hysteresekurven für verschiedene ausgewählt hartmagnetische Kerne aus insgesamt drei Chargen. Diese sind aus Strontium-Hexaferrit hergestellt. Die entsprechende Koerzitivfeldstärke 21 und die magnetische Polarisation bzw. Remanenz 22 der hartmagnetischen Kerne ist entnehmbar. Dazu sei angemerkt, dass die Remanenz 22 der magnetischen Polarisation bei H=0 entspricht. In diesem Fall betragen die magnetischen Kennwerte Koerzitivfeldstärke 270 - 340 kA/m und Remanenz 162 - 200 mT. Diese liegen in dem erfindungsgemäß bevorzugten Bereich.
In den 3a und 3b sind verschiedene Oberflächen 24 der hartmagnetischen Kerne 6 dargestellt. Die Darstellungen sind elektronenmikroskopische Aufnahmen eines unbehandelten (3a) und eines oberflächenbehandelten (3b) hartmagnetischen Kerns mit Durchmesser 29. Die Oberflächenbehandlung nach 3b erfolgte chemisch mittels einer 14,8-molaren Phosphorsäure (H₃PO₄) bei 120°C für 30 Minuten. Durch dieses Ätzen erfolgte einer Erhöhung der Oberflächenrauigkeit, die eine bessere mechanische Haftung weiterer Schichten ermöglicht. Ätzungen sind auch mit anderen Säuren, wie Salzsäure, Königswasser oder dergleichen möglich. Ein Volumenverhältnis von hartmagnetischen Kernen zu Solvent betrug bei diesen chemischen Behandlungen 1:50 bis 1:100, um eine Aufkonzentration der Solvate zu vermeiden.
Anstelle einer chemischen Oberflächenbehandlung ist auch eine mechanische Aufrauung, beispielsweise durch Schleifen, Sandstrahlen oder dergleichen, möglich.
Die Oberflächenbehandlung gemäß Erfindung führt zu einem Masseverlust geringer als 20 wt-%, so dass eine entsprechende Größenänderung der hartmagnetischen Kerne weniger als 5 % beträgt.
Um die Haftfestigkeit weiterhin zu verbessern, kann eine Primerschicht aufgetragen werden, beispielsweise durch eine Silanisierung der Oberfläche der hartmagnetischen Kerne. Dies erlaubt die Ausbildung starker Bindungen zwischen Kernmaterial und Beschichtungsmaterial.
Erfolgt die Beschichtung mit einem Polymer, werden vorzugsweise organofunktionelle Silane verwendet. Diese besitzen eine funktionelle Gruppe -X, welche sich mit der Polymerschicht verbindet. Die Anbindung an das organische Material erfolgt über eine hydrolisierbare funktionelle Gruppe. Diese verbindet sich mit den -OH-Gruppen, die sich grundsätzlich auf anorganischen Werkstoffen befinden. Dadurch entstehen kovalente Bindungen mit dem anorganischen Substrat über eine Kondensationsreaktion. Bei der Auswahl des organofunktionellen Silans wird eine passende funktionelle Gruppe -X ausgewählt. Diese ist abhängig von dem verwendeten Polymer. Möglich Gruppen sind Amino (-NH₂), Schwefel (-S), Glycidol (-C₃H₆O₂) und Metacryloxi (-C₄H₅O₂). Bei einer Polymerbeschichtung mit Polyamid sind Aminosilane geeignet.
4a und 4b zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen von Oberflächen 24 eines unbehandelten (4a) und eines silanisierten (4b) hartmagnetischen Kerns 6. Es wurde eine 5-Vol- %-Silan-Aceton-Lösung verwendet. Im oberen Teil der elektronenmikroskopischen Aufnahme 4b ist eine durchgehende Schicht erkennbar. Auf dem Rest der Aufnahme ist diese Schicht durch Partikel bedeckt, die fest an die Oberfläche gebunden sind. Weitere verwendbare Lösungsmittel sind Wasser und Ethanol. In der Regel sind die hartmagnetischen Kerne nach der Silanisierung mit dem verwendeten Lösungsmittel zu waschen, an Luft zu trocknen und abschließend in einem Ofen, beispielsweise für 1h bei 105°C, zu backen.
5a und 5b zeigen lichtmikroskopische Aufnahmen von Querschnitten von mit einem Polyamid als Beschichtungsmaterial beschichteten hartmagnetischen Kernen, siehe Beschichtung 28. Diese wurden in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 7 hergestellt. In 5a ist eine Beschichtung mit einer entsprechenden Dicke 23 geringer als eine Dicke 23 in 5b ausgebildet.
Nach 6 ergeben sich unterschiedliche Schichtdicken, beispielsweise in Abhängigkeit einer Pulvertemperatur des Beschichtungsmaterials, siehe 7 - 10.
Weitere verwendbare Beschichtungsmaterialien sind Polymere, die eine Schmelztemperatur unter der Curie-Temperatur der hartmagnetischen Kerne besitzen und durch Abkühlen oder durch reaktive Bestandteile aushärten können. Die entsprechenden Polymerpulver können aus einem reinen Stoff bestehen, mit Zusatzstoffen versetzt und zur Erzielung bestimmter Eigenschaften als Mischung (Master-Batches) verwendet werden. Beschichtungsmaterialien können auf Basis folgender Polymere hergestellt sein: Polyamid, Polypropylen, Polystyrol, Polyäther, Keton, Polyurethan, Epoxyharz und dergleichen. Die Beschichtungsmaterialien werden insbesondere danach ausgewählt, dass diese unterhalb der Curie-Temperatur des gewählten hartmagnetischen Kernmaterials aufschmelzbar sind, nach Aushärten ausreichend verschleißfest und für die Aufbereitung entsprechender Produkte (siehe die vorangehenden Ausführungen) zugelassen sind.
In den 7 bis 10 sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer entsprechenden Vorrichtung zur Herstellung erfindungsgemäßer Mahlkörper dargestellt. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Teile und werden teilweise nur im Zusammenhang mit einer Figur erläutert.
7 zeigt eine solche Vorrichtung mit einem Reaktor 1, durch die beschichtete hartmagnetische Kerne, d. h. erfindungsgemäße Mahlkörper, herstellbar sind. Der Reaktor selbst besteht aus einem nicht ferromagnetischen Material und weist eine obere Öffnung 2 auf. Über die obere Öffnung 2 sind hartmagnetische Kerne zuführbar. Weiterhin weist der Reaktor 1 einen gasdurchlässigen Boden 4, der einen unteren materialfreien Bereich 26, siehe auch 8, von einem materialführenden Bereich 27 trennt. Der materialfreie Bereich 26 erstreckt sich vom gasdurchlässigen Boden 4 bis zu einer unteren Öffnung 3. Der materialführende Bereich 27 erstreckt sich oberhalb des gasdurchlässigen Bodens 4 und ist im Wesentlichen durch die Höhe des Reaktors begrenzt, so dass er größer sein kann, als in den 7 bis 10 dargestellt. Der gasdurchlässige Boden 4 besteht ebenfalls aus einem nichtferromagnetischen Material.
Das Ausführungsbeispiel nach 7 eignet sich für eine batchweise Beschichtung von hartmagnetischen Kernen 6.
Die zu beschichtenden hartmagnetischen Kerne 6 werden mit einer Magnetisierungsvorrichtung (nicht dargestellt) vorzugsweise bis zur Sättigung magnetisiert. Die Magnetisierung kann durch Impulsmagnetisierung erfolgen. Anschließend erfolgt eine Erwärmung der magnetisierten Kerne, z. B. in einem elektrisch beheizten Ofen, auf eine Temperatur, die im Reaktor 1 bei Kontakt mit Partikeln eines Beschichtungsmaterials 7 diese aufschmelzen lässt. Allerdings ist die Temperatur geringer als eine entsprechende Curie-Temperatur der hartmagnetischen Kerne.
Die Öffnung 2 dient der Zugabe von Beschichtungsmaterial, der erhitzten und magnetisierten hartmagnetischen Kerne sowie auch der Entnahme fertig beschichteter hartmagnetischer Kerne, d. h. der fertiggestellten Mahlkörper.
Durch die untere Öffnung 3 kann ein Gasstrom eingeleitet werden, der bei Durchtritt durch den gasdurchlässigen Boden 4 von unten gleichmäßig über den Reaktorquerschnitt verteilt wird und eine Fluidisierung des dispersen Beschichtungsmaterials 7 unterstützt.
Das Beschichtungsmaterial ist beispielsweise Polyamidpulver mit einer Partikelgröße von d₅₀ = 50µm und einer Schmelztemperatur von 176°C.
Oberhalb des gasdurchlässigen Bodens 4 befindet sich ein Magnetsystem 5 mit zwei Spulen 30, die den Reaktor umgeben. Durch das Magnetsystem und dessen zeit- und ortsabhängiges Magnetfeld ergibt sich ein sich zeitlich und örtlich ändernder Feldgradient, der die über die Öffnung 2 zugeführten, erhitzten und magnetisierten hartmagnetischen Kerne 6 fluidisiert.
Das disperse Beschichtungsmaterial 7 wird durch die Bewegung der hartmagnetischen Kerne 6 ebenfalls fluidisiert, wie auch durch den bereits oben beschriebenen Gasstrom. Bei Kontakt mit Oberflächen 24 der erwärmten hartmagnetischen Kerne schmilzt das Beschichtungsmaterial auf.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, das Beschichtungsmaterial zusätzlich zu erwärmen, indem beispielsweise ein über die Öffnung 3 zugeführte Gasstrom 8 und/oder in dem entsprechenden Bereich eine weitere Heizung 10 (siehe 7) und/oder das disperse Beschichtungsmaterial direkt, beispielsweise mit einem Infrarotstrahler (in 7-10 nicht dargestellt) erwärmt wird.
Die sich insgesamt ergebende Temperatur des dispersen Beschichtungsmaterials 7 bestimmt bei konstanter Verweilzeit der hartmagnetischen Kerne im Reaktor 1 eine Dicke 23 der Beschichtung 28 auf den hartmagnetischen Kernen 6, siehe auch 6.
Das Magnetsystem 5 nach 7 weist zwei den Reaktor konzentrisch umgebende Spulen 30 auf, die von Wechselströmen durchflossen werden. Diese erzeugen in dem materialführenden Bereich 27 des Reaktors 1 eine sich zeitlich und örtlich ändernde magnetische Flussdichteverteilung mit vorzugsweise einem Effektivwert von mindestens 5 mT am gasdurchlässigen Boden 4. Die Frequenz der Wechselströme in den Spulen 30 des Magnetsystems 5, die die zeitlichen Flussdichteänderungen bestimmen, sollten eine Frequenz nicht überschreiten, bei der die hartmagnetischen Kerne 6 in Folge ihrer Massenträgheit den Flussdichteänderungen nicht mehr folgen können. Beispielsweise sind für Kerne mit einer Größe von > 0,5 mm und Dichten um 4 bis 5 kg/dm³ Frequenzen größer 10 Hz und kleiner 400 Hz einzustellen.
Bei den Spulen 30 des Magnetsystems 5 ist darauf zu achten, dass diese hinsichtlich Anzahl, Anordnung, Windungszahl und Ausführung durch Querschnittsform und Größe des Reaktors und der zur Fluidisierung der hartmagnetischen Kerne 6 erforderlichen Verteilung des magnetischen Vektorgradienten bestimmt sind. Für zylindrische Reaktoren sind beispielsweise solenoidale Spulensysteme einsetzbar. Es hat sich in diesem Zusammenhang als vorteilhaft erwiesen, wenn die Spulen scheibenartig ausgebildet sind.
8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines erfindungsgemäßen Reaktors 1. Dieser unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nach 7 durch eine Erwärmung der magnetisierten, hartmagnetischen Kerne 6 auf eine erforderliche Prozesstemperatur über eine Heizeinrichtung 37 im Bereich eines Trichters 9. Die Heizeinrichtung 37 kann regelbar ausgeführt sein, um die entsprechende Temperatur der hartmagnetischen Kerne reproduzierbar zu erreichen.
Die Heizeinrichtung 37 ist vor einer Reaktoröffnung 32 (siehe auch 8) angeordnet und dient der Zufuhr der erhitzten, magnetisierten hartmagnetischen Kerne 12 in den Reaktor 1. Die Zufuhr erfolgt magnetisch mit einem weiteren, impulsartig betrieben Magnetsystem 11. Dadurch ist eine quasi kontinuierliche Prozessführung der Beschichtung möglich. Fertig beschichtete hartmagnetische Kerne können in elektrisch nicht aktiven Zeiten des Magnetsystems 11 über eine Öffnung 13 mit einem stabartigen Haftmagneten oder dergleichen aus dem Reaktor 1 entnommen werden.
Gegenüberliegend zur Öffnung 13 ist eine weitere Öffnung 14 als Abgasöffnung angeordnet.
Die Öffnung 32 des Reaktors, in dessen oberem Endbereich 31, geht in dem Ausführungsbeispiel nach 8 über eine Verbindung 33 in einen beheizbaren trichterförmigen Behälter 9 über. In diesem werden die zuvor magnetisierten hartmagnetischen Kerne mittels der Heizeinrichtung 37 auf eine Temperatur geringer als die Curie-Temperatur der Kerne und größer als die Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials aufgeheizt. Es sind auch andere Heizeinrichtungen möglich, wie beispielsweise Infrarotstrahler, Induktionsheizung, Magnetron oder dergleichen.
Das Magnetsystem 11 umfasst eine eisenlose Spule, die periodisch impulsartig mit einem Strom betrieben wird. Stromimpulshöhe und -dauer werden so gewählt, dass kurzzeitig ein den unteren Bereich der Schüttung der erhitzten magnetisierten hartmagnetischen Kerne 12 durchdringendes Magnetfeld entsteht, das in diesem Bereich magnetische Haltekräfte zwischen den Kernen aufhebt. In Folge der magnetischen Zugkraft des Magnetsystems 11 sowie der Schwerkraft fällt eine entsprechende Menge von hartmagnetischen Kernen über die Öffnung 32 als Ausgang in den Reaktor 1 ein, wobei im Trichter 9 verbliebene Kerne nachrutschen. Die zugeführte Menge der hartmagnetischen Kerne ist durch die Stromimpulshöhe und Impulsdauer einstellbar.
Bei allen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die entsprechenden fertiggestellten Mahlkörper nach einer zur Beschichtung der fluidisierten hartmagnetischen Kerne 6 erforderlichen Verweilzeit aus dem Reaktor 1 abgeführt. Der Beschichtungsvorgang kann auch periodisch durchgeführt werden.
9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bzw. des Reaktors 1. Diese unterscheidet sich von den Ausführungsbeispielen nach 7 und 8 dadurch, dass eine Erwärmung der magnetisierten hartmagnetischen Kerne auf die erforderliche Prozesstemperatur über eine Einkopplung von Mikrowellenleistung als Heizeinrichtung 34 (siehe 10) mittels mindestens einer Antenne 15 direkt am Reaktor 1 erfolgt. Der Reaktor 1 besteht also zumindest in dem Bereich der Einwirkung der Mikrowellenstrahlung aus einem nicht mikrowellenabsorbierenden Material, wie beispielsweise Teflon, Kieselglas oder dergleichen. Weiterhin ist der Reaktor 1 im Bereich der Einwirkung der Mikrowellenstrahlung mit einem metallischen Gitter 18 umgeben, so dass die Mikrowellenabstrahlung vernachlässigbar gering ist und vorgeschriebene Grenzwerte eingehalten werden (< 50 W/m² in 5 cm Abstand).
Zur Mikrowellenerzeugung ist ein wassergekühlter Mikrowellengenerator 16 auf Halbleiterbasis mit einer je nach Prozessbehältergröße und deren Befüllung steuerbaren Leistung bis zu 1000 W bei 2,45 GHz einsetzbar.
Die zugeführte Mikrowellenleistung ist über eine Messung, faseroptisch, pyrometrisch oder dergleichen, einer Oberflächentemperatur der hartmagnetischen Kerne 6 steuerbar.
Eine entsprechende Ausgestaltung eines Reaktors 1 gewährleistet einerseits eine Beschichtung sehr kleiner (< 1 mm) hartmagnetischer Kerne 6, da solche bei Erhitzen vor und während des Eintritts in den Reaktor 1 in Folge ihrer geringen Wärmespeicherfähigkeit zu schnell abkühlen würden und andererseits eine bessere und reproduzierbare Beschichtungsqualität für alle Kerngrößen. Weiterhin können extern vorbehandelte, insbesondere vorbeschichtete nicht magnetisierte hartmagnetische Kerne, die in einer Vorstufe mit einer Beschichtungsstoff-Bindemittel-Suspension vorbeschichtet und auf die mittels bekannter Beschichtungsverfahren weitere Schichten als feste Filme aufgebracht wurden, anschließend magnetisiert dem Reaktor zugeführt werden. Danach können ohne weitere Zugabe von dispersem Beschichtungsmaterial im Reaktor die bereits vorhandenen Schichten zwecks Verbesserung der Homogenität und/oder der Oberflächenqualität aufgeschmolzen werden. Die Kerne können auch vor der Vorbeschichtung ggf. bereits vorbehandelt sein, siehe beispielsweise die vorangehend beschriebene Oberflächenbehandlung.
10 stellt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines Reaktors 1 dar.
Der Ablauf der Beschichtungsvorgangs wird mittels Schrittkette in einer Steuerung, beispielsweise eines Programmable Logic Controllers 19, gesteuert. Unbeschichtete hartmagnetische Kerne 6 werden zuerst magnetisiert, abgewogen und in den Reaktor 1 gegeben. Dann wird das Magnetsystem 5 durch eine Steuerung 35 eingeschaltet, welches zur Bewegung und Fluidisierung der Kerne dient. Gleichzeitig wird der Mikrowellengenerator 16 zur Beheizung der hartmagnetischen Kerne 6 aktiviert. Dies erfolgt über Mikrowellenantennen 15 und Abgabe entsprechender Mikrowellen. Misst der Temperatursensor 17 das Erreichen einer Solltemperatur von z. B. 176°C, wird mittels einer Heizung 36 temperierte Luft als Gasstrom 8 zur Fluidisierung zugeführt und auch das Beschichtungspulver zugegeben. Anschließend erfolgt ein Halten der Solltemperatur gemäß Temperatursensor 17, beispielsweise für 3 min. Diese Zeit ist allerdings abhängig von der Reaktorgröße, der Einfüllmenge an hartmagnetischen Kernen, Kerngröße und angestrebter Schichtdicke. Die Solltemperatur wird so lange aufrechterhalten, bis ausreichend Beschichtungsmaterial auf die magnetisierten hartmagnetischen Kerne 6 aufgeschmolzen wurde. Nach Ablauf der entsprechenden Haltezeit werden der Mikrowellengenerator 16 sowie die Heizung 36 ausgeschaltet. Eine entsprechende Luftzufuhr als Gasstrom 8 wird zur Abkühlung weiter betrieben, bis ein entsprechender Sollwert bei dem Temperatursensor 17 unterschritten ist. Anschließend erfolgt eine Entnahme der beschichteten hartmagnetischen Kerne über die Öffnung 13 (siehe 8). Dies erfolgt vorteilhafterweise mit einem Stab, der am Ende mit einem Permanentmagneten oder einer aktivierbaren elektrischen Spule versehen ist. Danach werden die Magnetspulen 30 mittels Steuerung 35 ausgeschaltet und es erfolgt die vollständige Leerung und Reinigung des Reaktors 1 sowie ggf. eine Neubeschickung.
11a und 11b zeigen fertiggestellte Mahlkörper, d. h. beschichtete, hartmagnetische Kerne gemäß Erfindung. Die Beschichtung auf den hartmagnetischen Kernen ist geschlossen. Nach 11a weist die Beschichtung eine entsprechende Rauigkeit auf. Eine mechanische Nachbehandlung zum Glätten der Oberflächen der Mahlkörper ist möglich. Geeignet ist ein Trommeln, das magnetische Fluidisieren in einem Reaktor ohne Beschichtungsmaterial oder ein gezieltes Beanspruchen („Abschleifen“) in einer EMZ-Anlage mit einem abrasiven Material, beispielsweise Aluminiumoxid.
11 zeigt einen solchen beschichteten hartmagnetischen Kern nach einem einstündigen Trommeln in Wasser.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die Mahlkörper 20 auch ggf. entmagnetisiert werden können. Dies gelingt in einem abklingenden Wechselfeld, das von einer Spule, die mit einer steuerbaren Wechselstromquelle - im einfachsten Fall ein Regeltrafo - betrieben wird. Das Wechselfeld muss mindestens die Sättigungsfeldstärke der hartmagnetischen Kerne erreichen und dann auf Null abklingen bzw. reduziert werden.
Eine andere Möglichkeit zur Entmagnetisierung besteht darin, die Koerzitivfeldstärke der Polarisation der hartmagnetischen Kerne zu bestimmen, z. B. durch Aufnahme der Hysteresekurve mit einem Vibrationsmagnetometer, und dann mit einem mit Gleichstrom gespeisten Magnetsystem ein Gegenfeld dieser Stärke aufzubauen und auf die hartmagnetischen Kerne kurzzeitig einwirken zu lassen.
In beiden Fällen müssen die hartmagnetischen Kerne ausreichend mechanisch fixiert sein, wodurch deren Bewegung in Richtung des zur Entmagnetisierung generierten Magnetfeldes verhindert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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JP 08308570 [0012]

Claims

Mahlkörper (20), insbesondere zur Verwendung in einer elektromechanischen Zerkleinerungsanlage, EMZ, zur Zerkleinerung, Deagglomeration und/oder Dispergierung von dispersen Stoffen und/oder pumpfähigen Mehrphasengemischen, dadurch gekennzeichnet, dass der Mahlkörper (20) einen hartmagnetischen Kern (6) und wenigstens eine diesen zumindest teilweise umgebende, verschleißfeste Beschichtung (28) aufweist.
Mahlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hartmagnetische Kern (6) eine Koerzitivfeldstärke (21) von mindestens 50 kA/m, vorzugsweise mindestens 70 kA/m und insbesondere bevorzugt von mindestens 100 kA/m aufweist.
Mahlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der hartmagnetische Kern (6) eine Remanenz (22) von > 50 mT, bevorzugt > 70 mT und insbesondere bevorzugt von > 100 mT aufweist.
Mahlkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verschleißfeste Beschichtung (28) eine Polymerbeschichtung ist.
Mahlkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hartmagnetische Kern (6) sphärisch ausgebildet und magnetisiert ist.
Mahlkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (28) in Abhängigkeit von einer Kerngröße, insbesondere einem Kerndurchmesser (29), eine Dicke von 5 µm bis 500 µm und bevorzugt von 10 µm bis 300 µm aufweist.
Mahlkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche (24) des hartmagnetischen Kerns (6) aufgeraut ist und insbesondere einen mittleren Mittenrauwert (Ra) von ≥ 0,4 µm und bevorzugt von ≥ 0,5 µm aufweist.
Mahlkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (28) geschlossen ist und den hartmagnetischen Kern vollständig umgibt und/oder zwischen Beschichtung und hartmagnetischem Kern wenigstens eine kraftvermittlende Schicht (25) angeordnet ist und/oder die Beschichtung geglättet ist.
Vorrichtung zur Herstellung von Mahlkörpern (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche Vorrichtung wenigstens einen Reaktor (1) aufweist, der durch einen gasdurchlässigen Boden (4) in einen unteren materialfreien Bereich (26) und einen oberen materialführenden Bereich (27) unterteilt ist, wobei der materialführende Bereich (27) insbesondere zur Aufnahme von fluidisiertem, dispersem Beschichtungsmaterial (7) und fluidisierten, hartmagnetischen Kernen (6) ausgebildet ist, und im materialführenden Bereich (27) von einem Magnetsystem (5) zur Fluidisierung der hartmagnetischen Kerne (6) umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1) unterhalb des Bodens (4) eine Gaseinleitöffnung (3) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Bodens (4) zumindest eine verschließbare Öffnung (2, 13) zur Zufuhr von Kernen (6) des Beschichtungsmaterials (7) und/oder zur Entnahme von fertiggestellten Mahlkörpern (20) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem (5) aus wenigstens einer Spule (30) gebildet ist, die den Reaktor (1) oberhalb des gasdurchlässigen Bodens (4) umgibt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Endbereich (31) des Reaktors (1) einen insbesondere beheizbaren und trichterförmigen Behälter (9) aufweist zur Aufnahme von magnetisierten hartmagnetischen Kernen (6), welchem ggf. eine Heizeinrichtung (37) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (37) die magnetisierten hartmagnetischen Kerne (6) auf eine Temperatur geringer als eine Curie-Temperatur der hartmagnetischen Kerne und größer als eine Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials (7) aufheizt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb eines Ausgangs (32) des trichterförmigen Behälters (9) ein weiteres Magnetsystem (11) angeordnet ist, welches insbesondere aus mindestens einer Spule gebildet ist und eine Verbindung (33) zwischen Reaktor (1) und Ausgang (32) des trichterförmigen Behälters (9) umgibt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Endbereich (31) des Reaktors (1) mindestens eine insbesondere seitliche Öffnung (13) zur Entnahme beschichteter hartmagnetischer Kerne (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des gasdurchlässigen Bodens (4) und insbesondere im materialführenden Bereich (27) eine Heizeinrichtung (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1) oberhalb des gasdurchlässigen Bodens (4) aus einem mikrowellendurchlässigen Material gebildet ist und im Reaktor (1) oberhalb des gasdurchlässigen Bodens (4), vorzugsweise im materialführenden Bereich (27) oder im oberen Endbereich (31), wenigstens eine Mikrowellenantenne (15) in Verbindung mit einem steuerbaren Mikrowellengenerator (16) als Heizeinrichtung (34) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktor (1) oberhalb des gasdurchlässigen Bodens (4) vorzugsweise im materialführenden Bereich (27) wenigstens ein Temperatursensor (17) zur Erfassung einer mittleren Temperatur im Reaktor und/oder des Beschichtungsmaterials (7) und/oder der hartmagnetischen Kerne (6) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung von Mahlkörpern (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Mahlkörpern (20) nach einem der Ansprüche 9 bis 19, gekennzeichnet durch Magnetisieren von hartmagnetischen Kernen (6) und anschließend ein Erwärmen der magnetisierten, hartmagnetischen Kerne (6) auf eine Temperatur oberhalb einer Schmelztemperatur eines Beschichtungsmaterials (7) und unterhalb einer Curie-Temperatur, Fluidisieren der erwärmten, magnetisierten hartmagnetischen Kerne (6) mittels eines sich zeitlich und örtlich ändernden Magnetfeldes, Aufschmelzen von insbesondere fluidisiertem, pulverigem Beschichtungsmaterial (7) auf Oberflächen der erwärmten, magnetisierten hartmagnetischen Kerne (6) und Bilden einer verschleißfesten Beschichtung (28) sowie anschließend Abführen der hergestellten Mahlkörper (20) nach Erreichen einer Sollschichtdicke aus dem Reaktor (1) und Abkühlen auf Umgebungstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch Erzeugen des sich zeitlich und örtlich ändernden Magnetfelds im Reaktor (1) mit einem den Reaktor (1) oberhalb eines gasdurchlässigen Bodens (4) umschließenden Magnetsystems (5), welches von Wechselströmen durchflossen wird, mit einer magnetischen Flussdichte mit einem Effektivwert von wenigstens 5mT im Bereich des gasdurchlässigen Bodens (4) und einer Wechselstromfrequenz von maximal 400 Hz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, gekennzeichnet durch ein Magnetisieren der hartmagnetischen Kerne (6) bereits außerhalb des Reaktors (1), vorzugsweise durch Impulsmagnetisierung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, gekennzeichnet durch ein Aufrauen von Oberflächen (24) der hartmagnetischen Kerne (6) außerhalb des Reaktors (1) mit mechanischen und/oder chemischen Verfahren.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die hartmagnetischen Kerne (6) vor ihrer Magnetisierung mit einem Haftvermittler (25) beschichtet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 20 bis 24, gekennzeichnet durch ein Erwärmen der hartmagnetischen Kerne (6) nach ihrer Magnetisierung außerhalb des Reaktors (1).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 20 bis 25, gekennzeichnet durch ein Erwärmen der hartmagnetischen Kerne (6) im Reaktor (1) während ihrer Fluidisierung mittels insbesondere Mikrowellen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 20 bis 26, gekennzeichnet durch Erfassen der Temperatur im Reaktor mittels wenigstens eines Temperatursensors (17) und Steuern der mittleren Temperatur im Reaktor und/oder des Beschichtungsmaterials und/oder der hartmagnetischen Kerne (6) in Abhängigkeit der erfassten Temperatur.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 21 bis 27, gekennzeichnet durch Zuführen einer entsprechenden Menge magnetisierter hartmagnetischer Kerne (6) zum Reaktor (1) nach Entnahme einer entsprechenden Menge von Mahlkörpern (20) aus dem Reaktor (1).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 20 bis 28, gekennzeichnet durch Zuführen der hartmagnetischen Kerne (6) in den Reaktor (1) mittels eines Magnetsystems (11), welches aus mindestens einer Spule gebildet ist, die eine Verbindung (33) zwischen Reaktor (1) und einem trichterförmigen Behälter (9) umgibt und mittels Stromimpulsen aktiviert wird, wobei durch die Stromimpulse ein Magnetfeld generiert wird, das magnetische Anziehungskräfte zwischen den magnetisierten hartmagnetischen Kernen (6), die sich oberhalb des Magnetsystems (11) befinden, so verringert, dass die hartmagnetischen Kerne (6) in Folge von Schwerkraft in den Reaktor (1) fallen und dort mit dem Magnetfeld des weiteren Magnetsystems (5) fluidisiert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 20 bis 29, gekennzeichnet durch ein Glätten der Mahlkörper (20) nach ihrer Entnahme aus dem Reaktor (1) insbesondere durch Trommeln oder dergleichen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 20 bis 30, gekennzeichnet durch ein Sortieren der Mahlkörper (20) und/oder ein Neumagnetisieren der Mahlkörper (20), nach deren Entnahme aus dem Reaktor (1).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 20 bis 31, gekennzeichnet durch ein Entfernen einer Restbeschichtung von benutzten Mahlkörpern und/oder Modifizieren der Oberflächen ihrer Kerne und Zuführen dieser so recycelten Kerne zum Reaktor zur Neubeschichtung.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 20 bis 32, gekennzeichnet durch ein externes Vorbehandeln, insbesondere Vorbeschichten von nichtmagnetisierten hartmagnetischen Kernen, welche anschließend magnetisiert und dem Reaktor zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch Vorbeschichten der ggf. vorbehandelten hartmagnetischen Kerne mittels einer Beschichtungsstoff-Bindemittel-Suspension.
Verwendung der Mahlkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8 in einer elektromechanischen Zerkleinerungsanlage, EMZ, zur Zerkleinerung, Deagglomeration und/oder Dispergierung von Wirkstoffen zur Verwendung in der Pharmazie, Biotechnologie und/oder Lebensmittelindustrie.
Verwendung der Mahlkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8 in Kugelmühlen zur Zerkleinerung, Deagglomeration und/oder Dispergierung von Wirkstoffen oder anorganischen Materialien verwendet in Pharmazie, Biotechnologie und/oder Lebensmittelindustrie, wobei die Mahlkörper entmagnetisiert sind.