تقنية تكوير المساحيق أصبحت تقنية التكوير جزءًا لا غنى عنه في الصناعة الحديثة والتكنولوجيا المتقدمة. فهي تُحسّن خصائص سطح المساحيق وخواصها الفيزيائية، وتُعزز أداء المواد، وتُلبي متطلبات متعددة الوظائف. وقد انتشرت تقنيات تكوير المساحيق حاليًا في العديد من المجالات، بما في ذلك المستحضرات الصيدلانية، والأغذية، والمواد الكيميائية، وحماية البيئة، وعلوم المواد، وعلم المعادن، والطباعة ثلاثية الأبعاد.
يتطلب تحضير المساحيق الكروية عدة تخصصات، تشمل الكيمياء وعلوم المواد والهندسة. فيما يلي نظرة عامة على أهم تقنيات تحويل المساحيق إلى مساحيق كروية.
1. طريقة التشكيل الميكانيكي
تعتمد طريقة التشكيل الميكانيكي بشكل أساسي على القوى الميكانيكية كالتصادم والاحتكاك والقص لإحداث تشوه لدن والتصاق الجسيمات. بعد المعالجة المستمرة، تصبح الجسيمات أكثر كثافة، وتُصقل حوافها الحادة تدريجياً لتصبح ناعمة ومستديرة بفعل الصدمات المتكررة.
تستخدم هذه الطريقة عادةً السرعة العالية مطاحن التأثير وتُستخدم مطاحن الوسائط المُحَرَّكة لتحضير المواد المسحوقة الناعمة. وبالجمع بينها وبين الطحن الجاف أو الرطب، يُمكن إنتاج مساحيق ذات نعومة أكبر. حجم الجسيمات, ، وتوزيع حجمي أضيق، ودرجة معينة من التكوير.
تُستخدم عملية التشكيل الميكانيكي على نطاق واسع في تكوير جزيئات الجرافيت الطبيعي والجرافيت الصناعي والأسمنت. كما أنها مناسبة لسحق وإنتاج مساحيق المعادن الهشة أو مساحيق السبائك.
المواد الخام المستخدمة في هذه الطريقة متوفرة بكثرة ومنخفضة التكلفة، ويمكن استغلال الموارد المتاحة بالكامل. العملية بسيطة وصديقة للبيئة ومناسبة للإنتاج على نطاق صناعي. مع ذلك، فإن انتقائية هذه الطريقة محدودة فيما يتعلق بالمواد، ولا يمكن ضمان كروية المسحوق وكثافته عند الضغط وإنتاجيته بعد المعالجة بشكل دقيق دائمًا. لذا، فهي مناسبة بشكل أساسي للمساحيق الكروية ذات متطلبات الجودة المنخفضة نسبيًا.
2. طريقة التجفيف بالرش
تتضمن عملية التجفيف بالرش تحويل المادة السائلة إلى رذاذ دقيق. يتبخر الرطوبة بسرعة في تيار هواء ساخن، مما يؤدي إلى تصلب القطرات وتحولها إلى جزيئات.
تتضمن مزايا التجفيف بالرش بساطة العملية وسهولة التحكم في أداء المنتج. وتُستخدم هذه الطريقة بشكل رئيسي في مجالات المتفجرات العسكرية ومواد البطاريات.
3. طريقة التفاعل الكيميائي في الطور الغازي
تستخدم هذه الطريقة مواد خام غازية، أو مواد صلبة تتبخر إلى شكل غازي. المواد الكيميائية تؤدي التفاعلات إلى توليد المركبات المطلوبة، والتي يتم تكثيفها بسرعة لإنتاج مساحيق كروية فائقة النعومة.
يتميز نطاق درجة حرارة التفاعل باتساعه، إذ يمكن تطبيقه في درجات حرارة عالية أو منخفضة أو حتى في درجة حرارة الغرفة. وتتميز المنتجات الناتجة عادةً ببنية بلورية جيدة وبنية مجهرية متجانسة. كما يمكن إنتاج مساحيق كروية فائقة النعومة (على المستوى النانوي).
4. الطريقة الحرارية المائية
تعتمد الطريقة الحرارية المائية على استخدام مفاعل يعمل في ظروف درجات حرارة وضغوط عالية. ويُستخدم الماء أو المذيبات العضوية كوسيط للتفاعل.
من خلال ضبط معايير مثل درجة حرارة المعالجة الحرارية المائية، ووقت التفاعل، ودرجة الحموضة، وتركيز المحلول، يمكن التحكم بفعالية في حجم الجسيمات. وتشمل مزايا هذه الطريقة قابليتها للتكيف مع أنظمة تفاعل متنوعة، وإمكانية التحكم في حجم الجسيمات وشكلها وبلوريتها.
إلا أن ظروف التفاعل صارمة، إذ تتطلب درجات حرارة وضغوطًا عالية، وتعتمد بشكل كبير على معدات متخصصة. ويُستخدم هذا التفاعل بشكل أساسي لتحضير الأكاسيد.
5. طريقة الترسيب
تعتمد طريقة الترسيب على التفاعلات الكيميائية في المحلول. تتحد أيونات المعادن مع عوامل الترسيب المحددة لتكوين جزيئات غروانية دقيقة شبه صلبة، مما يخلق نظام تعليق مستقر.
من خلال تعديل الظروف بشكل أكبر، مثل التعتيق أو التحريك البطيء أو تغيير بيئة المحلول، تتجمع الجسيمات الغروية وتنمو تدريجياً. وتميل إلى التكوير وتشكل رواسب كروية أولية. بعد التجفيف أو التكليس، نحصل على مواد مسحوقية كروية.
تتيح هذه الطريقة التحكم في معدل نمو البلورات في الطور السائل، وبالتالي يمكن تنظيم حجم الجسيمات وشكلها. وهي مناسبة لتحضير أكاسيد المعادن ومواد أخرى. ويتطلب ذلك تحكمًا دقيقًا في معايير التفاعل مثل درجة الحرارة والضغط ودرجة الحموضة.
6. طريقة سول-جل
تتضمن عملية سول-جل عمومًا ثلاث مراحل: تحضير المحلول الغرواني، وتكوين الجل، وتكوين المسحوق الكروي. ويمكن للمعالجة الحرارية الإضافية تحسين البنية والأداء. كما يمكن تحقيق تحكم دقيق في حجم الجسيمات وشكلها.
تتميز المساحيق المُحضّرة بنقائها العالي وتجانسها الجيد. تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع في المختبرات لتحضير المساحيق فائقة النعومة. مع ذلك، فهي غير مناسبة للإنتاج الضخم، ولا يزال تطبيقها الصناعي محدودًا.
7. طريقة المستحلب الدقيق
طريقة المستحلبات الدقيقة هي تقنية تحضير ثنائية الطور سائل-سائل. يُضاف مذيب عضوي يحتوي على مواد أولية إلى الطور المائي لتكوين مستحلب ذي قطرات صغيرة.
تتشكل الجسيمات الكروية من خلال التكوين النوي، والاندماج، والتكتل، والمعالجة الحرارية. وتُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع في تحضير الجسيمات النانوية والمواد المركبة العضوية وغير العضوية.
8. طريقة تكوير مسحوق البلازما
مع التطور السريع للصناعات عالية التقنية والطلب المتزايد على المواد النانوية وعمليات التحضير الجديدة، اكتسبت كيمياء البلازما اهتمامًا متزايدًا.
تتميز عملية التكوير بالبلازما بدرجة حرارة عالية، ومحتوى حراري عالٍ، وتفاعل كيميائي عالٍ، وإمكانية التحكم في جو التفاعل ودرجة حرارته. وهي مناسبة للغاية لتحضير مساحيق كروية دقيقة وعالية النقاء. وتُعدّ فعّالة بشكل خاص للمعادن ذات درجة الانصهار العالية.
تتضمن هذه العملية مراحل توليد البلازما، والتفاعل الكيميائي، والتبريد السريع. وبناءً على طرق توليد البلازما، يمكن تقسيمها إلى عملية التكوير الحراري بالبلازما باستخدام القوس الكهربائي للتيار المستمر، وعملية التكوير الحراري بالبلازما باستخدام الحث الترددي الراديوي.
تُعد أنظمة معالجة مساحيق البلازما التي طورتها شركة تيكنا في كندا رائدة عالمياً. وقد حققت هذه الأنظمة تحويل مساحيق المعادن مثل التنجستن والموليبدينوم والنيكل والنحاس إلى مساحيق كروية، بالإضافة إلى مساحيق السيراميك الأكسيدية مثل السيليكا والألومينا.
9. طريقة تذرية الغاز
تتضمن عملية التذرية الغازية تسخين المادة الخام إلى حالة انصهار. ويصطدم تيار غازي عالي السرعة بتدفق السائل المنصهر. وتتحول الطاقة الحركية للسائل فوراً إلى طاقة سطحية، مما يؤدي إلى تفتت شديد إلى قطرات صغيرة عديدة.
تبرد هذه القطرات بسرعة وتتصلب عند ملامستها للبيئة المحيطة، لتشكل مساحيق كروية ذات حجم جسيمات موحد.
في البداية، استُخدمت غازات مثل الهواء والبخار. ومع التطور التكنولوجي، حلّت عملية التذرية بالغاز الخامل مشكلة تحضير مساحيق كروية من المعادن النشطة. تتميز المساحيق المنتجة بهذه الطريقة بانخفاض نسبة الشوائب فيها، ونعومة أسطحها، وسهولة انسيابيتها، وكرويتها العالية.
تشمل طرق التذرية الغازية الشائعة التذرية الغازية بالصهر بالحث الكهربائي والتذرية الغازية الخاملة بالصهر الفراغي.
10. طريقة التذرية بالطرد المركزي
تستخدم عملية التذرية بالطرد المركزي قوة الطرد المركزي لتفريق طبقة المعدن المنصهر إلى قطرات. وتتصلب هذه القطرات بسرعة عن طريق التبريد بالحمل القسري باستخدام غاز واقٍ.
يشمل ذلك التذرية باستخدام القرص الدوار والتذرية باستخدام قطب كهربائي دوار بالبلازما. ومن بينها، تُعد التذرية باستخدام قطب كهربائي دوار بالبلازما الأكثر استخداماً.
في هذه الطريقة، يُثبَّت قضيب معدني أنودي على عمود دوار عالي السرعة. تحت تأثير التسخين بقوس البلازما، ينصهر المعدن. تتشتت القطرات المنصهرة بشكل مماس بفعل قوة الطرد المركزي، ثم تتصلب لتشكل مساحيق كروية. تتم العملية برمتها تحت فراغ أو تحت حماية غاز خامل.
11. طريقة التذرية بالموجات فوق الصوتية لتكوير المساحيق
تستخدم عملية التذرية بالموجات فوق الصوتية طاقة الاهتزازات فوق الصوتية لتشتيت المعدن المنصهر إلى قطرات دقيقة في الحالة الغازية. ثم تبرد هذه القطرات وتتصلب لتشكل مساحيق معدنية كروية.
تتميز المساحيق الناتجة بكروية عالية وتوزيع ضيق لحجم الجسيمات. وبالمقارنة مع التذرية بالغاز الخامل، لا تتطلب التذرية بالموجات فوق الصوتية كميات كبيرة من الغاز الخامل للتفتيت، كما أنها تنتج عددًا أقل من الجسيمات المجوفة والجسيمات الثانوية. ومع ذلك، ونظرًا لعدم اكتمال التطوير النظري، فإنها تُستخدم بشكل أساسي للمعادن أو السبائك ذات درجة الانصهار المنخفضة.
12. تكوير اللهب الناتج عن احتراق الغاز
تستخدم هذه الطريقة غازات الوقود الصناعية مثل الأسيتيلين أو الهيدروجين أو الغاز الطبيعي كمصادر للحرارة. ويتم توليد لهب نظيف خالٍ من التلوث بدرجة حرارة تتراوح بين 1600 و2000 درجة مئوية باستخدام مدفع لهب عالي الحرارة.
يُغذى المسحوق المعالج مسبقًا والمؤهل إلى فرن التكوير. تعمل نفاثات غاز الأكسجين والوقود على تسخين المسحوق وصهره عند درجة حرارة عالية. بعد التبريد، يتشكل مسحوق كروي عالي النقاء.
تُستخدم هذه الطريقة بشكل أساسي لإنتاج مسحوق السيليكون الكروي الدقيق ومسحوق الألومينا الكروي.
13. طريقة الاحتراق (VMC)
طُوّرت طريقة الاحتراق، والمعروفة أيضاً باسم طريقة احتراق المعادن المتبخرة (VMC)، لأول مرة في اليابان. وهي تستخدم الاحتراق الانفجاري لمسحوق المعدن لإنتاج جزيئات أكسيد كروية دقيقة.
على سبيل المثال، يتفاعل مسحوق السيليكون المعدني مباشرة مع الأكسجين لإنتاج كريات دقيقة من السيليكا عالية النقاء مع توزيع حجم الجسيمات الذي يمكن التحكم فيه نسبيًا.
14. طريقة قطع الأسلاك وإعادة صهرها
تتضمن العملية سحب سبيكة اللحام إلى أسلاك وتقطيعها إلى أجزاء دقيقة متجانسة. ثم توضع هذه الأجزاء في معدات تشكيل ذات تدرج حراري. ومن خلال إعادة الصهر والتصلب، تتشكل كرات قياسية.
تتميز هذه الطريقة بسهولة التحكم في العملية وانخفاض التكلفة. مع ذلك، فإن الإجراء معقد، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الإنتاج. كما تتطلب دقة عالية في المعدات. وقد يحدث تباين في قطر السلك أثناء السحب. وتقتصر هذه الطريقة على المواد منخفضة الحرارة والمطيلة، مما يحد من نطاق استخدامها.
15. طريقة القذف النبضي عبر الفتحة الدقيقة
تُعدّ طريقة قذف القطرات الدقيقة النبضية تقنية لتوليد قطرات دقيقة تُستخدم لتحضير جزيئات كروية أحادية التشتت بحجم ميكروني. وهي تنتمي إلى تقنية الحقن عند الطلب المدفوعة بالكهرباء الانضغاطية.
تم استخدام المعادن المنصهرة أو السبائك أو المعلقات كمواد خام لإنتاج قطرات أحادية التشتت.
مبدأ العمل كالتالي: أولاً، تُصهر المادة المعدنية الخام في بوتقة من الفولاذ المقاوم للصدأ. يتدفق المعدن المنصهر إلى قناة التغذية ويملأ قسم الحقن. يُضخ غاز خامل إلى البوتقة لإحداث فرق ضغط موجب. تُبرمج إشارة نبضية، فتهتز الخزفية الكهروإجهادية استجابةً لهذه الإشارة. يدفع هذا الاهتزاز صفيحة الضغط إلى التشوه اللدن، مما يُطبق ضغط البثق على المعدن المنصهر في قسم الحقن.
يُضغط حجم صغير من المادة المنصهرة من الفتحة الدقيقة في قاع البوتقة، مُشكِّلاً قطرات. ولأن سعة كل اهتزاز متطابقة، فإن حجم كل قطرة يكون متقارباً. ونتيجةً لذلك، نحصل على مساحيق كروية ذات حجم موحد.
شكرًا لقراءتكم. آمل أن يكون مقالي مفيدًا. يُرجى ترك تعليق أدناه. يمكنكم أيضًا التواصل مع ممثل خدمة عملاء زيلدا عبر الإنترنت لأي استفسارات أخرى.
— نُشر بواسطة إميلي تشين