Tecnologia di sferoidizzazione delle polveri È diventata una parte indispensabile dell'industria moderna e della tecnologia avanzata. Migliora le caratteristiche superficiali e le proprietà fisiche delle polveri, ottimizza le prestazioni dei materiali e soddisfa i requisiti multifunzionali. Attualmente, le tecnologie di sferoidizzazione delle polveri hanno trovato applicazione in numerosi settori, tra cui farmaceutico, alimentare, chimico, ambientale, scienza dei materiali, metallurgia e stampa 3D.
La preparazione di polveri sferiche coinvolge molteplici discipline, tra cui chimica, scienza dei materiali e ingegneria. Di seguito una panoramica delle principali tecnologie di sferoidizzazione delle polveri.
1. Metodo di formatura meccanica
Il metodo di formatura meccanica si basa principalmente su forze meccaniche come collisione, attrito e taglio per indurre la deformazione plastica e l'adesione delle particelle. Dopo una lavorazione continua, le particelle diventano più dense. I loro bordi taglienti vengono gradualmente levigati e arrotondati sotto ripetuti impatti.
Questo metodo utilizza in genere l'alta velocità mulini a impatto e mulini a media agitazione per preparare materiali in polvere fine. In combinazione con la macinazione a secco o a umido, può produrre polveri con dimensione delle particelle, distribuzione dimensionale più ristretta e un certo grado di sferoidizzazione.
La formatura meccanica è ampiamente utilizzata nella sferoidizzazione di particelle di grafite naturale, grafite artificiale e cemento. È adatta anche per la frantumazione e la produzione di polveri di metalli fragili o polveri di leghe.
Le materie prime utilizzate in questo metodo sono ampiamente disponibili e a basso costo. Le risorse esistenti possono essere pienamente sfruttate. Il processo è semplice, ecologico e adatto alla produzione su scala industriale. Tuttavia, il metodo presenta una selettività limitata per i materiali. La sfericità, la densità di colata e la resa dopo la lavorazione non possono essere sempre garantite con certezza. Pertanto, è adatto principalmente per polveri sferiche con requisiti di qualità relativamente bassi.
2. Metodo di essiccazione a spruzzo
L'essiccazione a spruzzo consiste nell'atomizzare un materiale liquido in goccioline fini. L'umidità evapora rapidamente in un flusso d'aria calda, solidificando le goccioline in particelle.
I vantaggi dell'essiccazione a spruzzo includono la semplicità del processo e il facile controllo delle prestazioni del prodotto. Questo metodo è applicato principalmente nel settore degli esplosivi militari e dei materiali per batterie.
3. Metodo di reazione chimica in fase gassosa
Questo metodo utilizza materie prime gassose o materiali solidi evaporati in forma gassosa. Chimico Le reazioni generano i composti desiderati, che vengono poi rapidamente condensati per produrre polveri sferiche ultrafini.
L'intervallo di temperatura di reazione è ampio. Può essere applicato a temperature elevate, basse o persino ambiente. I prodotti risultanti presentano in genere una buona struttura cristallina e una microstruttura uniforme. È possibile produrre polveri sferiche ultrafini (su scala nanometrica).
4. Metodo idrotermale
Il metodo idrotermale utilizza un reattore ad alta temperatura e alta pressione. Acqua o solventi organici fungono da mezzo di reazione.
Regolando parametri come la temperatura idrotermale, il tempo di reazione, il pH e la concentrazione della soluzione, è possibile controllare efficacemente la dimensione delle particelle. I vantaggi includono l'adattabilità a diversi sistemi di reazione e il controllo di dimensioni, morfologia e cristallinità delle particelle.
Tuttavia, le condizioni di reazione sono rigorose. Sono richieste alte temperature e pressioni, e vi è una forte dipendenza da apparecchiature specializzate. Viene utilizzato principalmente per la preparazione di ossidi.
5. Metodo delle precipitazioni
Il metodo di precipitazione prevede reazioni chimiche in soluzione. Gli ioni metallici si combinano con specifici precipitanti per formare particelle colloidali fini e semisolide, che creano un sistema di sospensione stabile.
Regolando ulteriormente le condizioni, come l'invecchiamento, l'agitazione lenta o la modifica dell'ambiente di soluzione, le particelle colloidali si aggregano e crescono gradualmente. Tendono alla sferoidizzazione e formano precipitati sferici primari. Dopo l'essiccazione o la calcinazione, si ottengono materiali in polvere sferici.
Questo metodo consente di controllare la velocità di crescita dei cristalli in fase liquida. In questo modo, è possibile regolare la dimensione e la morfologia delle particelle. È adatto per la preparazione di ossidi metallici e altri materiali. È richiesto un rigoroso controllo dei parametri di reazione come temperatura, pressione e pH.
6. Metodo Sol-Gel
Il processo sol-gel comprende generalmente tre fasi: preparazione del sol, formazione del gel e formazione della polvere sferica. Un ulteriore trattamento termico può migliorare la struttura e le prestazioni. È possibile ottenere un controllo preciso sulla dimensione e sulla morfologia delle particelle.
Le polveri preparate presentano un'elevata purezza e una buona monodispersità. Questo metodo è ampiamente utilizzato in laboratorio per la preparazione di polveri ultrafini. Tuttavia, non è adatto alla produzione di massa su larga scala. L'applicazione industriale rimane limitata.
7. Metodo della microemulsione
Il metodo della microemulsione è una tecnica di preparazione bifasica liquido-liquido. Un solvente organico contenente precursori viene aggiunto alla fase acquosa per formare un'emulsione con minuscole goccioline.
Attraverso la nucleazione, la coalescenza, l'aggregazione e il trattamento termico, si formano particelle sferiche. Questo metodo è ampiamente utilizzato per la preparazione di nanoparticelle e materiali compositi organico-inorganici.
8. Metodo di sferoidizzazione della polvere al plasma
Con il rapido sviluppo delle industrie high-tech e la crescente domanda di nanomateriali e nuovi processi di preparazione, la chimica del plasma ha guadagnato sempre più attenzione.
La sferoidizzazione al plasma è caratterizzata da alta temperatura, elevata entalpia, elevata reattività chimica e atmosfera e temperatura di reazione controllabili. È particolarmente adatta alla preparazione di polveri sferiche fini e di elevata purezza. È particolarmente efficace per metalli ad alto punto di fusione.
Il processo comprende fasi di generazione del plasma, reazione chimica e tempra rapida. In base ai metodi di generazione del plasma, può essere suddiviso in sferoidizzazione al plasma termico ad arco in corrente continua (DC) e sferoidizzazione al plasma a induzione RF.
I sistemi di trattamento al plasma delle polveri sviluppati da Tekna in Canada sono leader a livello mondiale. L'azienda ha realizzato la sferoidizzazione di polveri metalliche come tungsteno, molibdeno, nichel e rame, nonché di polveri ceramiche ossidiche come silice e allumina.
9. Metodo di atomizzazione del gas
L'atomizzazione a gas prevede il riscaldamento della materia prima fino allo stato fuso. Un flusso di gas ad alta velocità impatta sul flusso di liquido fuso. L'energia cinetica del liquido viene istantaneamente convertita in energia superficiale, causando un'intensa frammentazione in numerose piccole goccioline.
Queste goccioline si raffreddano rapidamente e si solidificano a contatto con l'ambiente circostante, formando polveri sferiche con particelle di dimensioni uniformi.
Inizialmente, venivano utilizzati gas come aria e vapore. Con lo sviluppo tecnologico, l'atomizzazione con gas inerte ha risolto la sfida di preparare polveri sferiche di metalli reattivi. Le polveri prodotte mediante atomizzazione con gas inerte presentano un basso contenuto di impurità, superfici lisce, buona scorrevolezza ed elevata sfericità.
I metodi più comuni di atomizzazione del gas includono l'atomizzazione del gas mediante fusione a induzione tramite elettrodo e l'atomizzazione del gas inerte mediante fusione sotto vuoto.
10. Metodo di atomizzazione centrifuga
L'atomizzazione centrifuga sfrutta la forza centrifuga per disperdere la pellicola metallica fusa in goccioline. Queste goccioline vengono rapidamente solidificate mediante raffreddamento a convezione forzata con gas protettivo.
Include l'atomizzazione a disco rotante e l'atomizzazione a elettrodo rotante al plasma. Tra queste, l'atomizzazione a elettrodo rotante al plasma è la più ampiamente applicata.
In questo metodo, un'asta metallica anodica viene montata su un albero rotante ad alta velocità. Sotto il riscaldamento dell'arco al plasma, il metallo fonde. Le goccioline fuse si disperdono tangenzialmente sotto la forza centrifuga. Quindi si solidificano in polveri sferiche. L'intero processo avviene sotto vuoto o sotto protezione di gas inerte.
11. Metodo di atomizzazione ultrasonica per la sferoidizzazione delle polveri
L'atomizzazione a ultrasuoni sfrutta l'energia delle vibrazioni ultrasoniche per disperdere il metallo fuso in goccioline finissime in fase gassosa. Queste goccioline si raffreddano e si solidificano in polveri metalliche sferiche.
Le polveri risultanti presentano un'elevata sfericità e una distribuzione granulometrica ristretta. Rispetto all'atomizzazione con gas inerte, l'atomizzazione a ultrasuoni non richiede grandi quantità di gas inerte per la frammentazione. Produce meno particelle cave e particelle satellite. Tuttavia, a causa dello sviluppo teorico ancora immaturo, viene utilizzata principalmente per metalli o leghe a basso punto di fusione.
12. Sferoidizzazione della fiamma di combustione del gas
Questo metodo utilizza gas combustibili industriali come acetilene, idrogeno o gas naturale come fonti di calore. Una fiamma pulita e priva di inquinanti, a una temperatura di 1600-2000 °C, viene generata tramite una pistola a fiamma ad alta temperatura.
La polvere qualificata pretrattata viene immessa nel forno di sferoidizzazione. Getti di ossigeno-gas combustibile riscaldano e fondono la polvere ad alta temperatura. Dopo il raffreddamento, si forma una polvere sferica ad alta purezza.
Questo metodo viene utilizzato principalmente per produrre micropolveri sferiche di silicio e polvere sferica di allumina.
13. Metodo di combustione (VMC)
Il metodo di combustione, noto anche come metodo di combustione di metalli vaporizzati (VMC), è stato sviluppato per la prima volta in Giappone. Utilizza la combustione esplosiva di polvere metallica per produrre microparticelle sferiche di ossido.
Ad esempio, la polvere di silicio metallico reagisce direttamente con l'ossigeno per produrre microsfere di silice fini e ad elevata purezza, con una distribuzione delle dimensioni delle particelle relativamente controllabile.
14. Metodo di taglio e rifusione del filo
Il processo prevede la trafilatura della lega saldante in fili e il taglio degli stessi in microsegmenti uniformi. Questi segmenti vengono poi inseriti in un'apparecchiatura di formatura con un gradiente di temperatura. Attraverso la rifusione e la solidificazione, formano sfere standard.
Questo metodo offre un buon controllo del processo e costi contenuti. Tuttavia, la procedura è complessa, con conseguente bassa efficienza produttiva. È richiesta un'elevata precisione delle apparecchiature. Durante la trafilatura possono verificarsi incongruenze nel diametro del filo. Il metodo è limitato a materiali duttili e a basse temperature, il che ne limita il campo di applicazione.
15. Metodo di eiezione pulsata del micro-orifizio
Il metodo di eiezione pulsata tramite microorifizi è una tecnologia di generazione di microgocce utilizzata per preparare particelle sferiche monodisperse di dimensioni micrometriche. Appartiene al gruppo delle iniezioni drop-on-demand azionate da tecnologia piezoelettrica.
Metalli fusi, leghe o sospensioni sono stati utilizzati come materie prime per produrre goccioline monodisperse.
Il principio di funzionamento è il seguente. Innanzitutto, la materia prima metallica viene fusa in un crogiolo di acciaio inossidabile. Il materiale fuso fluisce nel canale di alimentazione e riempie la sezione di iniezione. Un gas inerte viene introdotto nel crogiolo per creare una differenza di pressione positiva. Viene programmato un segnale a impulsi. Sotto l'impulso del segnale, la ceramica piezoelettrica vibra. La vibrazione determina la deformazione plastica della piastra di pressatura. Questo applica una pressione di estrusione al materiale fuso nella sezione di iniezione.
Un piccolo volume di materiale fuso viene espulso dal microforo sul fondo del crogiolo, formando delle goccioline. Poiché l'ampiezza di vibrazione è identica, il volume di ogni goccia è pressoché identico. Di conseguenza, si ottengono polveri sferiche di dimensioni uniformi.
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— Pubblicato da Emily Chen