超微粒子パウダーs refer to materials with particle sizes ranging from the micron to the nanometer scale. According to the consensus in mineral processing industry, 超微粉末s are defined as powders with 100% particle size less than 30 μm. Nanomaterials have unique properties that traditional materials do not possess, such as size effects, macroscopic quantum tunneling effects, and surface effects. These properties make them widely used.
しかし、ナノ材料は比表面積が大きく活性が高いため、非常に不安定です。凝集しやすいため、本来の特性が失われ、価値が低下します。凝集の問題は、ナノ材料の開発を阻害する重要な技術的課題となっています。
超微粉の凝集とは、粉末の製造、分離、取り扱い、保管中に一次粉末粒子が互いに結合して、より大きな粒子クラスターを形成する現象を指します。超微粉の凝集の原因は、 粉は主に次の 3 つに分けられます。
- 分子間の相互作用 粒子
- 粒子間の静電相互作用
- 空気中の粒子の付着
凝集につながる分子相互作用：
When mineral materials are ground to a certain size, the distance between particles becomes extremely small, and the van der Waals forces between particles become much larger than their own gravitational forces. Thus, ultrafine particles tend to attract and aggregate with each other. The hydrogen bonds, adsorbed water bridges, and other chemical bonds on the surface of ultrafine particles also lead to particle adhesion and agglomeration.
凝集につながる静電相互作用
超微細化プロセスでは、衝撃、摩擦、粒子径の縮小などにより、新たに形成された超微粒子の表面に多量の正または負の電荷が蓄積されます。これらの粒子は、表面の突起が正または負の電荷を帯びているため、非常に不安定です。安定状態に到達するために、これらの粒子は互いに引き合い、鋭い角同士が接触することで凝集が起こります。ここで主に作用する力は静電気力です。
空気中の粒子の付着
空気の相対湿度が65%を超えると、水蒸気が粒子表面および粒子間に凝縮し始めます。粒子間に液橋が形成されることで、凝集効果が大幅に高まります。さらに、粉砕工程において、鉱物材料は多くの機械的エネルギーまたは熱エネルギーを吸収するため、新たに形成された超微粒子の表面エネルギーは非常に高くなります。粒子は不安定な状態にあり、表面エネルギーを下げるために凝集する傾向があり、その結果、安定化します。
液相中の分散法
機械的分散
機械的分散は、外部のせん断力または衝撃力を利用してナノ粒子を媒体中に分散させる。方法には以下のものがある。 研削ボールミル、振動ミル、コロイドミル、エアジェットミル、機械撹拌などが挙げられます。しかし、機械撹拌によって生成された乱流場から粒子が抜け出すと、外部環境は正常状態に戻り、粒子が再び凝集する可能性があります。そのため、機械撹拌と化学分散剤を併用することで、より良い分散効果が得られる場合が多くあります。
化学分散
化学分散は、工業生産において分散させるために広く使用されている。 超微粉末懸濁液中の粉末。無機電解質、界面活性剤、ポリマー分散剤を添加することで、粉末の表面特性が変化し、液体媒体との相互作用や粒子間の相互作用が変化し、分散が達成されます。分散剤には、界面活性剤、低分子無機電解質、ポリマー分散剤、カップリング剤などがあり、最も一般的に使用されるのはポリマー分散剤です。
超音波法
超音波分散は、懸濁液を超音波場内に直接置き、適切な周波数と照射時間を制御することで粒子を分散させる方法です。ナノ粒子の分散には超音波がより効果的です。超音波キャビテーションは局所的な高温、高圧、強力な衝撃波、そしてマイクロジェットを発生させ、粒子間のナノ相互作用を弱めることで、凝集を効果的に防ぎ、分散を実現します。ただし、過熱は避けるべきです。熱エネルギーと機械エネルギーが増加すると、粒子同士の衝突が増加し、さらなる凝集につながる可能性があるためです。
気相分散法
乾式分散
湿潤空気中では、粉体粒子間の液橋が凝集の主な原因となります。固体材料の乾燥には、熱伝達による水分の蒸発と、蒸発した水分の気相への拡散という2つの基本的なプロセスが関与しています。したがって、液橋の形成を防ぐ、あるいは既存の液橋を破壊することが、粒子分散を確実にするための重要な方法です。ほとんどの粉体製造プロセスでは、加熱と乾燥が前処理として用いられています。
機械的分散
機械分散は、機械的な力を用いて粒子群を分散させる方法です。必要な条件は、機械的な力（せん断応力および圧縮応力）が粒子間の付着力を上回ることです。この力は、通常、高速回転ディスク、高速ガス流噴射、そして強い乱流によって生成されます。機械分散は実施が簡単ですが、強制的な分散方法です。分散機内で粒子は分散されますが、粒子間の力は変化しません。粒子が分散機から離れた後に再付着する可能性があります。さらに、機械分散は脆い粒子を粉砕する可能性があり、機械装置の摩耗に伴い効果が低下します。
静電分散
均質な粒子の場合、表面の電荷が均一であるため、静電力によって反発が生じます。静電力は粒子分散に利用できます。課題は、粒子をどのように完全に帯電させるかです。粒子を帯電させるには、接触帯電、誘導帯電、コロナ帯電などの方法があります。最も効果的な方法はコロナ放電です。粒子はイオン化領域を通過し、均一な電荷を受け取り、静電反発によって粒子を分散させます。
エピックパウダー
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