Ultrafeines Pulvers beziehen sich auf Materialien mit Partikelgrößen im Mikrometer- bis Nanometerbereich. Nach dem Konsens in Mineral verarbeitende Industrie, ultrafeines Pulvers sind definiert als Pulver mit 100% Partikelgröße weniger als 30 μm. Nanomaterialien verfügen über einzigartige Eigenschaften, die herkömmliche Materialien nicht besitzen, wie z. B. Größeneffekte, makroskopische Quantentunneleffekte und Oberflächeneffekte. Diese Eigenschaften machen sie weit verbreitet.
Nanomaterialien weisen jedoch eine große spezifische Oberfläche und eine hohe Aktivität auf, was sie sehr instabil macht. Sie neigen stark zur Aggregation, was zum Verlust ihrer ursprünglichen Eigenschaften und damit zu einer Wertminderung führt. Das Aggregatproblem ist ein zentrales technologisches Problem, das die Entwicklung von Nanomaterialien einschränkt.
Die Aggregation ultrafeiner Pulver bezieht sich auf das Phänomen, dass sich primäre Pulverpartikel während der Herstellung, Trennung, Handhabung oder Lagerung miteinander verbinden und größere Partikelcluster bilden. Die Gründe für die Aggregation ultrafeiner Pulvers sind hauptsächlich dreifach:
- Molekulare Wechselwirkungen zwischen Partikel
- Elektrostatische Wechselwirkungen zwischen Partikeln
- Anhaften von Partikeln in der Luft
Molekulare Wechselwirkungen, die zur Aggregation führen:
Wenn mineralische Materialien auf eine bestimmte Größe gemahlen werden, wird der Abstand zwischen den Partikeln extrem klein, und die Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Partikeln werden viel größer als ihre eigenen Gravitationskräfte. Daher neigen ultrafeine Partikel dazu, sich gegenseitig anzuziehen und zu aggregieren. Die Wasserstoffbrücken, adsorbierten Wasserbrücken und andere chemisch Bindungen auf der Oberfläche ultrafeiner Partikel führen auch zur Partikelhaftung und -agglomeration.
Elektrostatische Wechselwirkungen, die zur Aggregation führen
Beim Ultrafeinungsprozess akkumuliert sich aufgrund von Stößen, Reibung und reduzierter Partikelgröße eine große Menge positiver oder negativer Ladung auf der Oberfläche neu gebildeter ultrafeiner Partikel. Diese Partikel sind äußerst instabil, da ihre Oberflächenvorsprünge positive oder negative Ladungen tragen. Um einen stabilen Zustand zu erreichen, ziehen sich diese Partikel gegenseitig an, und scharfe Kanten berühren sich, was zur Aggregation führt. Die Hauptkraft, die hier wirkt, ist die elektrostatische Kraft.
Adhäsion von Partikeln in der Luft
Wenn die relative Luftfeuchtigkeit 65 % überschreitet, beginnt Wasserdampf auf der Oberfläche und zwischen den Partikeln zu kondensieren. Diese Bildung von Flüssigkeitsbrücken zwischen den Partikeln verstärkt den Aggregationseffekt erheblich. Darüber hinaus absorbieren mineralische Materialien während des Mahlprozesses viel mechanische oder thermische Energie, wodurch die Oberflächenenergie der neu gebildeten ultrafeinen Partikel sehr hoch wird. Die Partikel befinden sich in einem instabilen Zustand und neigen zur Aggregation, um die Oberflächenenergie zu reduzieren und sich so zu stabilisieren.
Methoden der Dispersion in der Flüssigphase
Mechanische Dispergierung
Bei der mechanischen Dispersion werden externe Scher- oder Stoßkräfte genutzt, um Nanopartikel in einem Medium zu verteilen. Zu den Methoden gehören Schleifen, Kugelmühlen, Vibrationsmühlen, Kolloidmühlen, Luftstrahlmühlen und mechanisches Rühren. Wenn Partikel jedoch das durch das mechanische Rühren erzeugte turbulente Feld verlassen, normalisiert sich die äußere Umgebung wieder und die Partikel können sich erneut aggregieren. Daher führt die Kombination aus mechanischem Rühren und chemischen Dispergiermitteln oft zu besseren Dispersionseffekten.
Chemische Dispersion
Chemische Dispersion wird in der industriellen Produktion häufig verwendet, um ultrafeines Pulvers in Suspension. Durch Zugabe von anorganischen Elektrolyten, Tensiden und Polymerdispergiermitteln werden die Oberflächeneigenschaften der Pulver verändert, wodurch ihre Wechselwirkung mit dem flüssigen Medium und zwischen den Partikeln verändert wird, um eine Dispersion zu erreichen. Zu den Dispergiermitteln gehören Tenside, niedermolekulare anorganische Elektrolyte, Polymerdispergiermittel und Haftvermittler, wobei Polymerdispergiermittel am häufigsten verwendet werden.
Ultraschallmethode
Bei der Ultraschalldispergierung wird die Suspension direkt in ein Ultraschallfeld gegeben und die entsprechende Frequenz und Einwirkzeit zur Dispersion der Partikel gesteuert. Ultraschall ist für die Dispersion von Nanopartikeln effektiver. Die Ultraschallkavitation erzeugt lokal hohe Temperaturen, hohen Druck, starke Stoßwellen und Mikrostrahlen, die die Nano-Wechselwirkungen zwischen den Partikeln schwächen, wodurch eine Aggregation wirksam verhindert und eine Dispersion erreicht wird. Überhitzung sollte jedoch vermieden werden, da zunehmende thermische und mechanische Energie zu vermehrten Partikelkollisionen und damit zu weiterer Aggregation führen kann.
Methoden der Dispersion in der Gasphase
Trockendispersion
In feuchter Luft sind Flüssigkeitsbrücken zwischen Pulverpartikeln die Hauptursache für Aggregation. Das Trocknen von Feststoffen umfasst zwei grundlegende Prozesse: Wärmeübertragung zum Verdampfen von Wasser und die Diffusion von verdampftem Wasser in die Gasphase. Daher ist die Verhinderung der Bildung von Flüssigkeitsbrücken oder deren Aufbrechen eine wichtige Methode zur Gewährleistung der Partikeldispersion. Die meisten Pulverherstellungsprozesse nutzen Erhitzen und Trocknen als Vorbehandlung.
Mechanische Dispergierung
Bei der mechanischen Dispergierung werden Partikelcluster durch mechanische Kraft auseinandergebrochen. Voraussetzung ist, dass die mechanische Kraft (Scher- und Druckspannung) die Haftkraft zwischen den Partikeln übersteigt. Diese Kraft wird typischerweise durch schnell rotierende Scheiben, schnelle Gaseinspritzung und starke Turbulenzen erzeugt. Mechanische Dispergierung ist einfach durchzuführen, stellt jedoch eine Zwangsdispergierung dar. Obwohl Partikel im Dispergierer auseinandergebrochen werden, bleiben die Kräfte zwischen den Partikeln unverändert. Sobald die Partikel den Dispergierer verlassen, können sie erneut aneinanderhaften. Darüber hinaus kann die mechanische Dispergierung zum Zerdrücken spröder Partikel führen, und ihre Wirksamkeit nimmt mit zunehmendem Verschleiß der mechanischen Ausrüstung ab.
Elektrostatische Dispersion
Bei homogenen Partikeln erzeugen elektrostatische Kräfte aufgrund identischer Ladungen auf den Oberflächen eine Abstoßung. Elektrostatische Kräfte können zur Partikeldispersion genutzt werden. Die Herausforderung besteht darin, die Partikel vollständig aufzuladen. Methoden wie Kontaktaufladung, Induktionsaufladung oder Koronaaufladung können zum Aufladen von Partikeln verwendet werden. Die effektivste Methode ist die Koronaentladung, bei der Partikel einen ionisierten Bereich passieren und die gleiche Ladung erhalten, wodurch die elektrostatische Abstoßung die Partikel dispergiert.
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