Операция на смилане
Процесът на намаляване на размера на частиците на материала, водещ до увеличаване на специфичната повърхност на смляното вещество, се нарича смилане или раздробяване. Във фармацевтичната технология процесът на смилане се използва в следните случаи:
1) при получаване на търговски продукт - прахове, такси, прахове; 2) да осигури изпълнението на основния процес (екстракция, разтваряне, гранулиране); в този случай смилането е спомагателен процес.
При практическото прилагане на процеса на смилане е необходимо да се знае до каква степен трябва да се раздроби лекарственото вещество.
Степента на смилане е отношението на размера на най-големите парчета натрошен материал преди смилане към размерите на най-големите парчета материал след смилане.
Ултрафиното смилане води до производството на колоидни частици.
Във фармацевтичната практика трябва да се работи с две групи вещества:
Аморфни вещества - преохладени течности - стъкло, смоли, полимери (понякога се обособяват в специална група твърди вещества).
Твърди кристални вещества.
Аморфните вещества се характеризират с изотропия на свойствата, т.е. физичните свойства на дадено вещество (еластичност, топлопроводимост, якост и др.) се разпространяват по абсолютно същия начин във всички посоки. Това означава, че по време на смилането аморфното тяло ще се разпадне в голямо разнообразие от непредвидени посоки (неправилно счупване). Ако аморфно тяло се охлади, то ще образува фалшиво кристална структура и ще стане по-крехко. Ще бъде по-лесно да го смачкате.
По принцип кохезионните сили между елементарните частици на аморфните тела са малки и аморфните вещества лесно се раздробяват (смоли, полимери, аморфен силиций, волфрам и др.).д.).
Кристалните вещества се характеризират с наличието на кристална структура. Кристалите с тази структура могат да бъдат много разнообразни по форма (в момента се разграничават 14 кристалографски вида решетки).
По естеството на взаимодействието между частиците се разграничават атомни, йонни и молекулни решетки.
Кристалните тела, за разлика от аморфните, се отличават с анизотропия на свойствата - физическите свойства на кристала не са еднакви в различни посоки. На първо място, това се отнася до механичната якост на кристала: кристалите най-лесно се разделят по определени равнини.
Целта на смилането на кристални вещества е да се разруши кристалната решетка, прехвърляйки тялото във фино диспергирано състояние.
За да се извърши смилането на кристалните тела бързо и с най-малък разход на енергия, е необходимо да се знае структурата и вида на кристалната решетка.
Както вече беше отбелязано, според вида на взаимодействието между частиците кристалните решетки се разделят на:
Атомни кристални решетки, чиято структурна единица е атом. Той се намира в местата на решетката и е свързан със съседните атоми на решетката чрез валентни връзки. Решетката на такива вещества е електрически неутрална, тъй като връзката между частиците в нея се характеризира с наличието на сдвоени електрони (2-4 двойки). Тази връзка е много силна. Пример за такова кристално тяло е диамантът.
Йонни кристални решетки, които имат всички вещества, принадлежащи към групата на електролитите (соли на халогени и алкални метали). Структурната единица на такава решетка е йон. Решетката е колекция от редуващи се положителни и отрицателни йони, разположени във възлите на решетката.
Силата на връзката между частиците - йони - е електрическа, базирана напривличане на йони по закона на Кулон (сили на Кулон).
Кохезионните сили според този закон зависят от големината на зарядите на йоните и разстоянието между тях и са достатъчно силни, следователно кристалните вещества, състоящи се от многозарядни йони, са по-трудни за смилане.
Молекулни решетки на полярни вещества (вещества с ясно изразен диполен момент), чиято структурна единица е молекула, която има характер на дипол. Кохезионните сили в такива решетки са електрически по природа.
Поради наличието на заряд, молекулите в кристала са ориентирани по определен начин. Силите, които ориентират молекулите, се наричат ориентационни. Примери за такива вещества са фенол, салицилова киселина, барбитал.
Молекулни решетки на неполярни вещества, чиято структурна единица е неполярна молекула (т.е. молекула, в която положителните и отрицателните центрове съвпадат). Кохезионните сили тук са електрически по природа. Тези сили на привличане, както е показано от физика Ф. Лондон, са резултат от координирани електромагнитни колебания и са свързани с появата на мигновени диполи в молекулите на неполярни вещества. Ф. Лондон нарича тези сили дисперсионни. Теорията на дисперсионното взаимодействие е много сложна и няма да я разглеждаме. Дисперсионните сили на взаимодействие са доста слаби.
Задачите на смилането включват: 1) намаляване на разстоянието между елементарните частици и увеличаване на специфичната повърхност на материята; 2) получаване на вещества с донякъде модифицирани свойства, включително физикохимични. Натрошените вещества се разтварят по-добре, участват по-бързо и по-пълно в химични реакции и т.н. Това се обяснява както с увеличаването на специфичната повърхност на веществото, така и с излагането на голям брой чисти повърхности и образуванетосвободни радикали. Например, при смилането на силикагел връзките се разкъсват по кристалната повърхност, чистите повърхности се разкриват и специфичната повърхност се увеличава, което води до увеличаване на адсорбционния капацитет.
Съществуват два основни вида смилане в зависимост от характера на приложената сила и свойствата на тялото: 1) обемно раздробяване; 2) повърхностно раздробяване.
Обемно трошене. Силата при този вид смилане, която причинява разрушаването на тялото, се прилага перпендикулярно на смачканото тяло. Различават се следните видове обемно раздробяване: раздробяване, разцепване, принуден и свободен удар. Процесът на обемно раздробяване се състои от няколко етапа: 1) етап на еластична деформация; 2) етапи на пластична деформация; 3) действително смачкване.
На етапа на еластична деформация тялото под въздействието на приложената сила претърпява компресионна деформация (т.е. сближаване на елементарни частици хоризонтално и вертикално), докато размерите на тялото намаляват. Когато елементарните частици се приближават една към друга, се увеличават еластичните сили, които възникват поради увеличаване на силата на взаимно отблъскване. Тези еластични сили, противодействащи на силите на деформация, се подчиняват на закона на Хук, според който напрежението на деформирано тяло е пропорционално на относителната деформация. От този закон следва, че колкото по-голяма е деформацията, толкова по-голямо е напрежението на тялото.
Ако на този етап бъде спряно по-нататъшното прилагане на сили, тогава компресираното тяло придобива първоначалната си форма (оттук и концепцията за обратима, еластична деформация). Тялото се връща в първоначалната си форма, тъй като действието на еластичните сили е насочено към възстановяване на първоначалната му форма.
При малко по-високи напрежения, надвишаващи границата на еластичност, тялото губи еластичните си свойства и започва да се деформира(всяко тяло има определена граница на еластичност). Началото на процеса на деформация на тялото бележи началото на втория етап на смилане - етапът на пластична деформация.
Настъпващата на този етап загуба на еластични свойства на тялото се изразява в промяна на формата му. При напрежения, превишаващи границата на еластичност, възникват така наречените остатъчни деформации. Но деформацията е пластична и тялото все още не е разрушено. Ако премахнете приложената сила, тялото ще запази целостта на новата форма. Етапът завършва при достигане на напрежение, равно на якостта на опън на тялото.
Ако продължите въздействието на сила върху тялото, то започва да се срутва. Идва последният етап от процеса на смилане - етапът на същинското раздробяване. Характеризира се с това, че при дадено тяло при превишаване на границата на якост се нарушава целостта на кристалната решетка на тялото и то се разрушава частично.
В тялото (кристалите) се появяват микропукнатини по равнините на сцепление в кристала, т.е. по равнините с най-ниска якост, след което настъпва неговото разрушаване.
Силата на тялото до голяма степен определя количеството енергия, което се изразходва за това смачкване.
Повърхностното смачкване се основава на деформация на срязване в случая, когато към тялото се прилагат две сили: 1) перпендикулярно на повърхността на тялото и 2) тангенциално (тангенциално на повърхността на тялото - успоредно на неговата равнина).
При такива условия тънките плочи (слоеве) се изкривяват и откъсват от повърхността на тялото (оттук и терминът „повърхностно смачкване“). В този случай етапите на смилане са същите като при насипно раздробяване (еластична и пластична деформация и собствено раздробяване). Продуктът с този вид смилане се състои от по-малки частици.
В реални условия има комбинация от повърхности обемно раздробяване - продуктът за смилане в този случай ще се състои от частици с различни размери (големи и малки). Ако е необходим продукт с частици с определен размер, тогава натрошеният материал се подлага на ситово класифициране, т.е. пресяване.