Poudre ultrafineLes particules fines désignent des matériaux dont la taille varie du micron au nanomètre. Selon le consensus minéral industrie de transformation, poudre ultrafines sont définis comme des poudres avec 100% la taille des particules Moins de 30 μm. Les nanomatériaux possèdent des propriétés uniques que les matériaux traditionnels ne possèdent pas, telles que les effets de taille, les effets tunnel quantiques macroscopiques et les effets de surface. Ces propriétés expliquent leur large utilisation.
Cependant, les nanomatériaux présentent une grande surface spécifique et une activité élevée, ce qui les rend très instables. Ils sont très sujets à l'agrégation, ce qui entraîne la perte de leurs propriétés d'origine et réduit leur valeur. Le problème de l'agrégation est un problème technologique majeur qui limite le développement des nanomatériaux.
L'agrégation des poudres ultrafines désigne le phénomène par lequel les particules de poudre primaire se lient entre elles pour former des amas de particules plus gros lors de la préparation, de la séparation, de la manipulation ou du stockage. Les raisons de l'agrégation des poudres ultrafines poudreLes objectifs sont principalement de trois ordres :
- Interactions moléculaires entre particules
- Interactions électrostatiques entre particules
- Adhésion des particules dans l'air
Interactions moléculaires conduisant à l'agrégation :
Lorsque les matériaux minéraux sont broyés à une certaine taille, la distance entre les particules devient extrêmement faible, et les forces de van der Waals entre elles deviennent bien plus importantes que leurs propres forces gravitationnelles. Ainsi, les particules ultrafines ont tendance à s'attirer et à s'agréger. Les liaisons hydrogène, les ponts d'eau adsorbés et autres chimique les liaisons à la surface des particules ultrafines conduisent également à l'adhésion et à l'agglomération des particules.
Interactions électrostatiques conduisant à l'agrégation
Lors du processus d'ultrafinage, sous l'effet des impacts, des frottements et de la réduction de la taille des particules, une grande quantité de charges positives ou négatives s'accumule à la surface des particules ultrafines nouvellement formées. Ces particules sont très instables car leurs protubérances superficielles portent des charges positives ou négatives. Pour atteindre un état stable, ces particules s'attirent et leurs angles vifs entrent en contact, provoquant leur agrégation. La principale force en jeu est la force électrostatique.
Adhésion des particules dans l'air
Lorsque l'humidité relative de l'air dépasse 65%, la vapeur d'eau commence à se condenser à la surface et entre les particules. Cette formation de ponts liquides entre les particules renforce considérablement l'effet d'agrégation. De plus, lors du broyage, les matières minérales absorbent une grande quantité d'énergie mécanique ou thermique, ce qui augmente considérablement l'énergie de surface des particules ultrafines nouvellement formées. Ces particules sont instables et, pour réduire leur énergie de surface, elles ont tendance à s'agréger, se stabilisant ainsi.
Méthodes de dispersion en phase liquide
Dispersion mécanique
La dispersion mécanique utilise des forces de cisaillement ou d'impact externes pour disperser les nanoparticules dans un milieu. Les méthodes incluent : affûtage, broyage à boulets, broyage vibrant, broyeurs colloïdaux, broyeurs à jet d'air et agitation mécanique. Cependant, lorsque les particules quittent le champ turbulent généré par l'agitation mécanique, l'environnement extérieur revient à la normale et les particules peuvent s'agréger à nouveau. Par conséquent, l'utilisation combinée d'agitation mécanique et de dispersants chimiques permet souvent d'obtenir de meilleurs effets de dispersion.
Dispersion chimique
La dispersion chimique est largement utilisée dans la production industrielle pour disperser poudre ultrafines en suspension. L'ajout d'électrolytes inorganiques, de tensioactifs et de dispersants polymères modifie les propriétés de surface des poudres, modifiant ainsi leur interaction avec le milieu liquide et entre les particules pour obtenir une dispersion. Les dispersants comprennent les tensioactifs, les électrolytes inorganiques à petites molécules, les dispersants polymères et les agents de couplage, les dispersants polymères étant les plus couramment utilisés.
Méthode par ultrasons
La dispersion ultrasonique consiste à placer la suspension directement dans un champ ultrasonique et à contrôler la fréquence et le temps d'exposition appropriés pour disperser les particules. Les ultrasons sont plus efficaces pour disperser les nanoparticules. La cavitation ultrasonique génère localement une température et une pression élevées, de fortes ondes de choc et des microjets qui affaiblissent les nano-interactions entre les particules, empêchant ainsi efficacement l'agrégation et assurant la dispersion. Cependant, la surchauffe est à éviter, car l'augmentation de l'énergie thermique et mécanique peut accroître les collisions de particules et favoriser l'agrégation.
Méthodes de dispersion en phase gazeuse
Dispersion sèche
Dans l'air humide, les ponts liquides entre les particules de poudre sont la principale cause d'agrégation. Le séchage des matériaux solides implique deux processus fondamentaux : le transfert de chaleur pour vaporiser l'eau et la diffusion de l'eau vaporisée en phase gazeuse. Par conséquent, prévenir la formation de ponts liquides ou rompre ceux qui existent déjà est essentiel pour assurer la dispersion des particules. La plupart des procédés de production de poudre utilisent le chauffage et le séchage comme prétraitement.
Dispersion mécanique
La dispersion mécanique consiste à utiliser la force mécanique pour dissocier les agrégats de particules. La condition nécessaire est que la force mécanique (contraintes de cisaillement et de compression) soit supérieure à la force d'adhérence entre les particules. Cette force est généralement générée par des disques rotatifs à grande vitesse, une injection de gaz à grande vitesse et de fortes turbulences. La dispersion mécanique est facile à mettre en œuvre, mais il s'agit d'une méthode de dispersion forcée. Bien que les particules puissent être dissociées dans le disperseur, les forces entre elles restent inchangées. Une fois sorties du disperseur, les particules peuvent se ré-adhérer. De plus, la dispersion mécanique peut entraîner l'écrasement des particules fragiles, et son efficacité diminue avec l'usure des équipements mécaniques.
Dispersion électrostatique
Pour les particules homogènes, les forces électrostatiques créent une répulsion due à des charges identiques à leurs surfaces. La force électrostatique peut être utilisée pour la dispersion des particules. La difficulté réside dans la façon de charger complètement les particules. Des méthodes telles que la charge par contact, la charge par induction ou la charge corona peuvent être utilisées pour charger les particules. La méthode la plus efficace est la décharge corona, où les particules traversent une zone ionisée et reçoivent la même charge, permettant ainsi la répulsion électrostatique pour disperser les particules.
Poudre épique
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