شهدت السنوات الأخيرة تسارعاً ملحوظاً في تطوير المواد الجديدة على مستوى العالم. ويتجه البحث في مجال المواد نحو تحقيق حالات فائقة وأداء أعلى. ومن بين المواد الناشئة، حظيت المساحيق فائقة النعومة باهتمام كبير.
تركز الأبحاث الحالية حول المساحيق فائقة النعومة بشكل أساسي على أربعة جوانب: طرق التحضير، والبنية المجهرية، والخصائص العيانية، والتطبيقات. ومن بين هذه الجوانب، تُعد تقنية التحضير العامل الأكثر أهمية.
توجد طرق عديدة لإنتاج المساحيق فائقة النعومة. وبناءً على حالة المادة، يمكن تصنيفها إلى طرق الطور الصلب، وطرق الطور السائل، وطرق الطور الغازي. تتناول هذه المقالة أهم هذه الطرق. تحضير مسحوق فائق النعومة التقنيات والتقدم الأخير.
طرق الطور الصلب
تُعدّ معالجة الطور الصلب طريقة تقليدية لإنتاج المساحيق. وتتميز بانخفاض تكلفتها، وإنتاجيتها العالية، وبساطة عملياتها. ومع تطور الطاقة العالية طحن الكرات و مجموع الطحن والتصنيف النفاث, لا تزال هذه الطريقة تستخدم على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب نقاءً فائقًا وشروطًا صارمة. حجم الجسيمات لا تتطلب عمليات التحكم. تُستخدم طرق الطور الصلب بشكل أساسي لإنتاج مساحيق فائقة النعومة من المواد الهشة.
الطحن الميكانيكي
يؤدي الطحن الميكانيكي إلى تقليل حجم الجسيمات من خلال القوى الميكانيكية المطبقة. تتشوه المواد الصلبة وتتكسر تحت الضغط، مما ينتج عنه جسيمات أدق.
تشمل آليات الطحن الرئيسية ما يلي: الضغط، والقص، والصدم، والتآكل.
يعتمد حد الطحن على عوامل متعددة، مثل:
- خصائص المواد
- الإجهاد الميكانيكي المطبق
- طريقة الطحن
- شروط العملية
- بيئة الطحن
تشمل معدات الطحن النموذجية ما يلي: مطاحن النفث، مطاحن الكرات، المطاحن المحركة، مطاحن تدفق الهواء، ومطاحن الغرويات.
نطاقات التشغيل النموذجية لمعدات الطحن فائق الدقة
| نوع المعدات | حجم التغذية (مم) | حجم المنتج (ميكرومتر) | الصلابة المناسبة | وضع الطحن |
|---|---|---|---|---|
| عالية السرعة مطحنة التأثير | أقل من 8 | 3-74 | متوسط / ناعم | جاف |
| مطحنة جيت | < 2 | 1-30 | متوسط / ناعم | جاف |
| مطحنة الاهتزاز | < 6 | 1-74 | صلب / متوسط / لين | جاف / رطب |
| مطحنة تقليب | < 1 | 1-74 | صلب / متوسط / لين | جاف / رطب |
| مطحنة الكرة | أقل من 10 | 1-100 | صلب / متوسط / لين | جاف / رطب |
| مطحنة الغرويات | < 0.2 | 1-20 | متوسط / ناعم | مبتل |
المزايا:
- قدرة إنتاجية كبيرة
- تكلفة منخفضة
- عملية بسيطة
- ميكانيكيةالمواد الكيميائية يؤدي التنشيط إلى تحسين تفاعل المسحوق
سلبيات:
- نقاء أقل
- دقة محدودة
- ضعف التحكم في شكل الجسيمات
تُعد هذه الطريقة مناسبة للإنتاج الصناعي واسع النطاق، مثل: المعدنية المعالجة العميقة.
التفتيت بالموجات فوق الصوتية
تستخدم عملية التفتيت بالموجات فوق الصوتية اهتزازات عالية التردد لتفتيت الجزيئات الصلبة. وعادةً ما يتم تشتيت المادة في وسط سائل، غالباً ما يكون الماء.
يقوم مولد الموجات فوق الصوتية بنقل الطاقة إلى السائل. وعندما تتجاوز الطاقة المتراكمة داخل الجزيئات طاقة ربطها، يحدث التصدع.
لا يُعدّ الطحن بالموجات فوق الصوتية فعالاً إلا مع الجزيئات ذات البنية غير المتماسكة. ويُستخدم بشكل أساسي لتفريق الجزيئات المتكتلة فائقة الدقة في السوائل. ولذلك، يُشار إليه غالباً بنظام تشتيت بالموجات فوق الصوتية بدلاً من كونه طريقة طحن حقيقية.
طريقة التحلل الحراري
تُنتج هذه الطريقة أطوارًا صلبة جديدة من خلال التحلل الحراري للمواد الصلبة الأولية. تتضمن تفاعلات التحلل النموذجية أطوارًا صلبة وغازية. معدات التحلل الحراري بسيطة، ويكفي التسخين المقاوم التقليدي. كما أن العملية سهلة التحكم.
إلا أن هذه الطريقة تقتصر عموماً على مساحيق الأكاسيد. وغالباً ما تكون الجسيمات الناتجة خشنة أو متكتلة بشدة. وعادةً ما يتطلب الحصول على مساحيق فائقة النعومة طحناً إضافياً.
تفاعل الحالة الصلبة عند درجات حرارة عالية
تبدأ هذه الطريقة بتصميم تركيبة ونسبة المواد الخام. تشمل المواد المتفاعلة الشائعة الأكاسيد والكربونات والهيدروكسيدات. تُخلط المواد جيدًا وتُضغط لتشكيل أقراص مضغوطة. ثم تُكلس عند درجة حرارة عالية لتكوين الطور المطلوب. يُطحن المنتج المُلبّد في النهاية إلى حجم الجسيمات المستهدف. تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع لمساحيق السيراميك الإلكتروني المعقدة.
تشمل الاعتبارات الرئيسية ما يلي:
- يؤثر اختيار المواد الأولية بشكل كبير على ظروف التفاعل والمنتجات.
- يؤثر تسلسل التفاعل على خصائص المسحوق النهائي.
المزايا:
- مناسب للإنتاج بكميات كبيرة
- تكلفة منخفضة نسبياً
سلبيات:
- يصعب تقليل حجم الجسيمات إلى أقل من 0.5-1 ميكرومتر
- قد يؤدي الطحن الميكانيكي إلى إدخال شوائب.
طرق الطور السائل
توفر طرق الطور السائل عمليات مرنة، وسهولة في التشغيل، وتحكمًا دقيقًا في حجم الجسيمات. كما تتيح التحكم في التركيب والتطعيم بسهولة. ويمكن أن يحدث الخلط على المستوى الجزيئي أو الذري. وتتميز المساحيق الناتجة بنشاط سطحي عالٍ. وتُستخدم هذه الطرق على نطاق واسع في المختبرات والصناعة لإنتاج مساحيق أكسيد المعادن فائقة النعومة.
طريقة الترسيب
يُعد الترسيب أحد أكثر طرق التخليق في الطور السائل شيوعًا.
تتفاعل الأملاح الذائبة في المحلول لتكوين مركبات غير ذائبة، مثل:
- الهيدروكسيدات
- الكربونات
- الكبريتات
- الأكسالات
ثم يتم تفكيك الراسب عن طريق التسخين أو المعالجة المباشرة للحصول على المنتج النهائي.
تشمل تقنيات الهطول الرئيسية ما يلي:
- الهطول المباشر
- الترسيب المشترك
- هطول متجانس
- هطول الأمطار المعقد
- الترسيب بالتحلل المائي
المزايا:
- عملية رد فعل بسيطة
- تكلفة منخفضة
- سهولة التوسع الصناعي
- مناسب للأكاسيد المفردة أو المركبة
سلبيات:
- ترشيح صعب
- عوامل الترسيب المتبقية كشوائب
- فقدان المنتج أثناء الغسيل
الطريقة الحرارية المائية
تعتمد الطريقة الحرارية المائية على نظام مغلق تحت درجة حرارة وضغط مرتفعين. وتحدث التفاعلات في الماء أو المحاليل المائية أو البخار.
تنتج هذه الطريقة مساحيق ذات:
- حجم الجسيمات الصغير
- نقاء عالي
- تشتت جيد
- توزيع الحجم الضيق
- بنية بلورية مضبوطة
- الحد الأدنى من التكتل
يمكنه تجنب مشاكل التحول الطوري أو التحلل أو التبخر التي تحدث عند درجات الحرارة العالية.
تشمل التقنيات الحرارية المائية الشائعة ما يلي:
طرق الأكسدة بالتحلل المائي، والترسيب الحراري المائي، والتخليق، والتجفيف، والتحلل، والتبلور، والأكسدة الأنودية، وطرق الأقطاب الكهربائية النشطة بالقوس الكهربائي.
تُظهر هذه الطريقة إمكانات تطويرية قوية.
طريقة المستحلبات الدقيقة (المذيلات العكسية)
المستحلبات الدقيقة هي أنظمة مستقرة ديناميكيًا حراريًا تتكون من: الماء، والزيت، والمواد الفعالة سطحيًا، والمواد المساعدة على الفعالية السطحية. تعمل مستحلبات الماء في الزيت الدقيقة كمفاعلات دقيقة، حيث تحد من نمو الجسيمات على المستوى النانوي.
بما أن التفاعل يحدث في نوى مائية دقيقة، فإن نمو نواتج التفاعل محدود بنصف قطر هذه النوى. لذا، فإن حجم النوى المائية يحدد مباشرةً حجم جزيئات المسحوق فائق النعومة. وباختيار مواد فعالة سطحية ومواد مساعدة فعالة سطحية مختلفة، تتشكل نوى مائية بأحجام مختلفة، مما يسمح بتصنيع مساحيق فائقة النعومة بأحجام جزيئات متنوعة.
وقد تم استخدام هذه الطريقة لتصنيع: نانو-Fe₂O₃، نانو-Al(OH)₃، نانو-CdS، ومركبات نانو-Fe–B.
طريقة السول-جل
تقوم طريقة سول-جل بتحويل المواد الأولية المعدنية العضوية أو غير العضوية إلى مواد صلبة من خلال:
محلول ← محلول غرواني ← هلام ← معالجة حرارية.
استناداً إلى آليات التجلط، فإنه يشمل ما يلي:
- نوع الغرواني
- نوع البوليمر غير العضوي
- نوع معقد
تُنتج هذه الطريقة ما يلي:
- الجسيمات الكروية
- توزيع الحجم الضيق
- الحد الأدنى من التكتل
- أكاسيد غير متبلورة أو نانوية التبلور
كما أنه يخفض درجة حرارة التلبيد ويسرع حركية التكثيف.
طريقة تبخير المذيب
تُزيل هذه الطريقة المذيب من المحلول. يؤدي فرط التشبع إلى ترسب المذاب. وللحفاظ على التجانس، تُوزّع المحاليل على شكل قطرات دقيقة. وتُستخدم تقنيات الرش بشكل شائع.
تشمل المتغيرات الرئيسية ما يلي:
- التجفيف بالتجميد
- التجفيف بالرش
- التجفيف بالكيروسين الساخن
- الانحلال الحراري بالرش
عملية التحلل الحراري بالرش:
- يتبخر المذيب من أسطح القطرات
- تتقلص القطرات في الحجم
- ينتشر المذاب باتجاه المركز
- تنتقل الحرارة من الحالة الغازية إلى القطرات
- تنتقل الحرارة داخل القطرات
المزايا:
- ينتج مساحيق كروية
- انسيابية جيدة
- مناسب للأكاسيد المعقدة
- نقاء عالي
سلبيات:
- ينطبق فقط على الأملاح القابلة للذوبان
طرق الطور الغازي
تُشكل طرق الطور الغازي جزيئات فائقة الدقة مباشرة في الطور الغازي.
وهي مقسمة إلى:
- العمليات الفيزيائية (التبخر - التكثيف)
- العمليات الكيميائية (تفاعلات الطور الغازي)
تشمل طرق التسخين ما يلي:
التسخين المقاوم، والتخليق باللهب، والبلازما، والتسخين بالليزر.
الميزات الرئيسية:
- نقاء عالي
- توزيع ضيق لحجم الجسيمات
- تشتت ممتاز
- حجم الجسيمات صغير جدًا
التبخر والتكثيف في الغاز ذي الضغط المنخفض
يمكن لأي مادة صلبة أن تشكل جسيمات نانوية من خلال التبخر والتكثيف.
تؤدي مصادر التسخين المختلفة والأجواء المختلفة إلى عمليات متنوعة.
تشمل طرق التسخين ما يلي:
التسخين المقاوم، والتفريغ القوسي، والبلازما، والتسخين الحثي، والتسخين بالليزر، والتسخين بشعاع الإلكترون. وتُعدّ طرق البلازما والحث والليزر واعدةً بشكل خاص للتطبيقات الصناعية.
الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)
تستخدم تقنية الترسيب الكيميائي للبخار مركبات معدنية متطايرة كمواد أولية. تتحلل هذه المركبات أو تتفاعل في الحالة الغازية لتكوين جسيمات نانوية.
وهو فعال للغاية بالنسبة للمواد ذات درجة الانصهار العالية.
بناءً على وضع التسخين، يتضمن نظام الترسيب الكيميائي للبخار ما يلي:
- الترسيب الكيميائي الحراري
- الترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما
- الترسيب الكيميائي للبخار بالليزر
المزايا:
- نقاء عالي للغاية
- التحكم الدقيق في العمليات
- التحكم في الواجهة على المستوى الذري
- تركيبة مرنة وبنية بلورية
تُستخدم تقنية الترسيب الكيميائي للبخار على نطاق واسع في الإلكترونيات الدقيقة، والطلاءات الوظيفية، وتخليق الجسيمات فائقة الدقة.
طريقة التذرية
في عملية التذرية، يتولد تفريغ متوهج بين الأقطاب الكهربائية. تقذف الأيونات المادة المستهدفة، مما يؤدي إلى قذف الذرات. تبرد الذرات المقذفة وتتكثف أو تتفاعل لتشكل مساحيق فائقة النعومة.
يمكن أن ينتج عن هذه الطريقة ما يلي:
- مساحيق معدنية ذات نقطة انصهار عالية
- مساحيق مركبة
- مساحيق مركبة
المزايا:
- توزيع ضيق لحجم الجسيمات
سلبيات:
- إنتاجية منخفضة للغاية
وتشمل الطرق الأخرى التخليق باستخدام القوالب، والتخليق باستخدام بخار المعادن، والتكثيف في الطور الغازي.
خاتمة
يتزايد البحث في مجال تحضير المساحيق فائقة النعومة بوتيرة متسارعة. وتستمر التقنيات الجديدة في الظهور، بينما تُطوَّر الطرق التقليدية باستمرار. عمليًا، تُختار العمليات أو تُدمج بناءً على متطلبات المسحوق المستهدف. كما يُسهم اختيار المواد وتحسين المعايير في تحسين أداء المسحوق. بالمقارنة مع الدول المتقدمة، لا تزال صناعة تصنيع المساحيق في الصين تواجه تحديات. تشمل المشكلات الرئيسية الأكسدة والتكتل وامتصاص الرطوبة. ويُعد حل هذه المشكلات ضروريًا لتحقيق إنتاج صناعي واسع النطاق للمساحيق فائقة النعومة.
شكرًا لقراءتكم. آمل أن يكون مقالي مفيدًا. يُرجى ترك تعليق أدناه. يمكنكم أيضًا التواصل مع ممثل خدمة عملاء زيلدا عبر الإنترنت لأي استفسارات أخرى.
— نشر بواسطة إميلي تشين