Измельчение

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 порошков, сборов, присыпок.
   
   
2. Для обеспечения проведения основного процесса — экстракции, растворения, грануляции и т.д.
   

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 вещества к размерам наиболее крупных кусков материала после измельчения.

Т = Dн / Dk, где

Т — степень измельчения.

Dн — размеры куска материала до измельчения.

Dk — размеры куска материала после измельчения.

В зависимости от величины степени измельчения различают несколько следующих видов измельчения.

1. Крупное — 2—6 нм (нанометров).
   
   
2. Среднее — 6—10 нм.
   
   
3. Мелкое — 10—50 нм.
   
   
4. Тонкое — 50—100 нм.
   
   
5. Сверхтонкое — 100—10 000 нм.
   

Сверхтонкое измельчение приводит к получению коллоидных частиц.

В фармацевтической практике при измельчении приходится сталкиваться с двумя группами веществ:

1. аморфными (переохлажденными жидкостями, стеклом, смолами, полимерами);
   
   
2. твердыми кристаллическими.
   

Аморфные вещества (от лат. amorphos — “бесформенный”) характеризуются изотропией свойств (упругостью, теплопроводностью, прочностью и др.), т.е. распространением физических свойств 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 ложнокристаллическую структуру и станет более хрупким. Измельчать его будет легче. Силы сцепления между элементарными частицами аморфных тел вообще невелики, и аморфные вещества легко измельчаются. Например, смолы, полимеры, аморфный кремний, вольфрам и т.д.

Кристаллические вещества характеризуются наличием кристаллической структуры. Кристаллы могут быть самыми разнообразными по форме, в настоящее время различают около 20 типов кристаллографической решетки.

По характеру взаимодействия между частицами различают атомные, ионные и молекулярные решетки. Кристаллические тела, в отличие от аморфных, обладают 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, а также эффективно провести измельчение кристаллических веществ, необходимо знать строение, а самое главное, тип кристаллической решетки.

Структурной единицей атомной кристаллической решетки является атом. Он находится в узлах решетки и связан с соседними атомами 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 имеют все вещества, относящиеся к группе электролитов (соли галогенов и щелочных металлов). Структурная единица такой решетки — ион (положительно или отрицательно заряженная частица). Решетка представляет собой совокупность чередующихся положительных и отрицательных ионов, расположенных в узлах решетки. Сила связи между ионами электрическая, основанная на притяжении противоположно закрепленных частиц по закону Кулона. 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. По твердости кристаллические вещества с решеткой этого типа можно расположить в следующем порядке: KCl(SO4)2 > CuSO4 > NaCl.

Структурной единицей молекулярной решетки является молекула. Молекулярные решетки бывают полярными и неполярными. Силы сцепления в молекулярных решетках носят электрический характер, и они довольно слабы.

Основными задачами измельчения являются:

1. уменьшение расстояния между структурными элементами вещества;
   
   
2. увеличение удельной поверхности вещества;
   
   
3. получение веществ с несколько измененными свойствами, в том числе и физико-химическими. Так, измельченные вещества быстрее растворяются, полнее участвуют в биохимических реакциях в организме и т.д.
   

Это объясняется как увеличением удельной поверхности вещества, так и освобождением большего числа свободных связей и свободных радикалов.

Различают два основных вида измельчения в зависимости от характера прилагаемой силы и свойств вещества:

1. объемное дробление;
   
   
2. поверхностное дробление.
   

При объемном дроблении сила, вызывающая разрушение вещества, приложена перпендикулярно к дробимому телу. Объемное дробление также подразделяется на несколько видов:

1. раздавливание;
   
   
2. раскалывание;
   
   
3. стесненный и свободный удар.
   

Сам процесс объемного дробления складывается из нескольких стадий:

1. упругой деформации;
   
   
2. пластичной деформации;
   
   
3. собственно дробления.
   

На первой стадии (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, т.е. чем больше деформация, тем больше напряжение тела. Если на этой стадии дальнейшее приложение сил прекратить, то сжатое тело приобретет свою первоначальную форму (отсюда и название — “обратимая или упругая деформация”). Тело возвращается к первоначальной форме потому, что действие сил упругости направлено на восстановление его первоначальной формы. Если продолжить приложение сил, то они постепенно превышают предел упругости, тело теряет свои упругие свойства и начинает деформироваться. Начало процесса деформации тела — это начало второй стадии измельчения — стадии пластичной деформации: вещество (тело) начинает изменять свою форму, но деформация пластична, и тело еще не разрушается. Если прекратить воздействие разрушающих сил, то вещество (тело) сохранит целостность новой формы. Если не продолжать воздействие, то оно начинает разрушаться. Наступает последняя стадия — стадия собственно дробления. Она характеризуется тем, что при превышении предела прочности тела целостность его кристаллической решетки нарушается и она частично разрушается. В кристаллах вещества появляются микротрещины по плоскостям наименьшей прочности, после чего наступает разрушение.

Поверхностное дробление основано на применении двух сил:

1. перпендикулярно к поверхности тела;
   
   
2. тангенциально, т.е. по касательной параллельно его плоскости. В этом случае происходит перекос и срыв тонких слоев с поверхности тела.
   

Получаемый продукт при таком типе измельчения состоит из более мелких частиц. На практике при измельчении веществ имеет место сочетание поверхностного и объемного дробления. Продукт измельчения при этом будет состоять из частиц разного размера (крупных, средних, мелких и т.д.).