De afgelopen jaren is de ontwikkeling van nieuwe materialen wereldwijd in een stroomversnelling geraakt. Materiaalonderzoek richt zich steeds meer op extreme toestanden en hogere prestaties. Onder de opkomende materialen hebben ultrafijne poeders veel aandacht getrokken.
Huidig onderzoek naar ultrafijne poeders richt zich hoofdzakelijk op vier aspecten: bereidingsmethoden, microstructuur, macroscopische eigenschappen en toepassingen. Bereidingstechnologie is hierbij de meest cruciale factor.
Er bestaan veel methoden voor het produceren van ultrafijne poeders. Op basis van de fase waarin de materie zich bevindt, kunnen deze worden ingedeeld in methoden in de vaste fase, methoden in de vloeibare fase en methoden in de gasfase. Dit artikel beschrijft de belangrijkste methoden. ultrafijne poederbereiding technieken en recente ontwikkelingen.
Vastefasemethoden
Vastefaseverwerking is een traditionele methode voor de productie van poeders. Deze methode kenmerkt zich door lage kosten, een hoge productiecapaciteit en eenvoudige processen. Met de ontwikkeling van hoogenergetische technologieën is deze methode steeds belangrijker geworden. kogelmolen En gecombineerd straalslijpen en classificatie, Deze methode wordt nog steeds veel gebruikt in toepassingen waar ultrahoge zuiverheid en strenge eisen vereist zijn. deeltjesgrootte Controleprocessen zijn niet nodig. Vastefasemethoden worden voornamelijk gebruikt voor de productie van ultrafijne poeders van brosse materialen.
Mechanisch slijpen
Mechanisch malen reduceert de deeltjesgrootte door toegepaste mechanische krachten. Vaste materialen vervormen en breken onder spanning, waardoor fijnere deeltjes ontstaan.
De belangrijkste slijpmechanismen zijn: compressie, afschuiving, impact en slijtage.
De slijplimiet is afhankelijk van meerdere factoren, zoals:
- Materiaal eigenschappen
- Toegepaste mechanische spanning
- Maalmethode
- Procesomstandigheden
- Slijpomgeving
Typische slijpmachines omvatten: straalmolens, kogelmolens, roermolens, luchtstroommolens en colloïdmolens.
Typische werkingsbereiken van ultrafijnslijpapparatuur
| Type apparatuur | Voedingsgrootte (mm) | Productgrootte (μm) | Toepasselijke hardheid | Slijpmodus |
|---|---|---|---|---|
| Hoge snelheid impact molen | < 8 | 3–74 | Medium / zacht | Droog |
| Jet molen | < 2 | 1–30 | Medium / zacht | Droog |
| Trillingen molen | < 6 | 1–74 | Hard / medium / zacht | Droog / nat |
| Roermolen | < 1 | 1–74 | Hard / medium / zacht | Droog / nat |
| Kogel molen | < 10 | 1–100 | Hard / medium / zacht | Droog / nat |
| Colloïdmolen | < 0,2 | 1–20 | Medium / zacht | Nat |
Voordelen:
- Grote productiecapaciteit
- Lage kosten
- Eenvoudig proces
- Mechanischchemisch Activering verbetert de reactiviteit van het poeder.
Nadelen:
- Lagere zuiverheid
- Beperkte fijnheid
- Slechte beheersing van de deeltjesvorm
Deze methode is geschikt voor grootschalige industriële productie, zoals mineraal diepgaande verwerking.
Ultrasone verpulvering
Ultrasone verpulvering maakt gebruik van hoogfrequente trillingen om vaste deeltjes te breken. Het materiaal is meestal gedispergeerd in een vloeibaar medium, in de meest voorkomende vorm water.
Een ultrasone generator brengt energie over naar de vloeistof. Wanneer de geaccumuleerde energie in de deeltjes hun bindingsenergie overschrijdt, treedt breuk op.
Ultrasoon malen is alleen effectief voor los gestructureerde deeltjes. Het wordt voornamelijk gebruikt om geagglomereerde ultrafijne deeltjes in vloeistoffen te dispergeren. Daarom wordt het vaak een ultrasoon dispersiesysteem genoemd in plaats van een echte maalmethode.
Thermische ontledingsmethode
Deze methode produceert nieuwe vaste fasen door thermische ontleding van vaste voorlopers. Typische ontledingsreacties omvatten vaste en gasvormige fasen. De apparatuur voor thermische ontleding is eenvoudig. Conventionele weerstandsverwarming is voldoende. Het proces is gemakkelijk te beheersen.
Deze methode is echter over het algemeen beperkt tot oxidepoeders. De resulterende deeltjes zijn vaak grof of sterk geagglomereerd. Meestal is extra malen nodig om ultrafijne poeders te verkrijgen.
Hogetemperatuur vastestofreactie
Deze methode begint met het ontwerpen van de samenstelling en verhouding van de grondstoffen. Veelgebruikte reactanten zijn oxiden, carbonaten en hydroxiden. De materialen worden gelijkmatig gemengd en tot compacte vormen geperst. Vervolgens worden ze bij hoge temperatuur gecalcineerd om de gewenste fase te vormen. Het gesinterde product wordt ten slotte vermalen tot de gewenste deeltjesgrootte. Deze methode wordt veel gebruikt voor complexe elektronische keramische poeders.
Belangrijke aandachtspunten zijn onder meer:
- De keuze van de uitgangsmaterialen heeft een grote invloed op de reactieomstandigheden en de producten.
- De volgorde van de reacties beïnvloedt de uiteindelijke eigenschappen van het poeder.
Voordelen:
- Geschikt voor massaproductie
- Relatief lage kosten
Nadelen:
- Het is lastig om de deeltjesgrootte te verkleinen tot onder de 0,5–1 μm.
- Mechanisch malen kan onzuiverheden introduceren.
Vloeistoffasemethoden
Vloeistoffasemethoden bieden flexibele processen, eenvoudige bediening en nauwkeurige controle van de deeltjesgrootte. Ze maken controle van de samenstelling en eenvoudige doping mogelijk. Mengen kan plaatsvinden op moleculair of atomair niveau. De resulterende poeders vertonen een hoge oppervlakteactiviteit. Deze methoden worden veelvuldig gebruikt in laboratoria en de industrie voor de productie van ultrafijne metaaloxidepoeders.
Neerslagmethode
Neerslag is een van de meest voorkomende synthesemethoden in de vloeibare fase.
Oplosbare zouten reageren in een oplossing en vormen onoplosbare verbindingen, zoals:
- Hydroxiden
- Carbonaten
- Sulfaten
- Oxalaten
Het neerslag wordt vervolgens door verhitting of directe behandeling ontleed om het eindproduct te verkrijgen.
De belangrijkste neerslagtechnieken zijn:
- Directe neerslag
- Co-precipitatie
- Homogene neerslag
- Complexe neerslag
- Hydrolyse-precipitatie
Voordelen:
- Eenvoudig reactieproces
- Lage kosten
- Eenvoudige industriële schaalvergroting
- Geschikt voor enkelvoudige of samengestelde oxiden.
Nadelen:
- Moeilijke filtratie
- Restanten van neerslagvormende stoffen als onzuiverheden
- Productverlies tijdens het wassen
Hydrothermale methode
De hydrothermale methode werkt in een afgesloten systeem onder hoge temperatuur en hoge druk. Reacties vinden plaats in water, waterige oplossingen of stoom.
Deze methode produceert poeders met:
- Kleine deeltjesgrootte
- Hoge zuiverheid
- Goede spreiding
- Smalle grootteverdeling
- Gecontroleerde kristalstructuur
- Minimale agglomeratie
Het kan problemen zoals faseovergangen, ontbinding of vervluchtiging, die bij hoge temperaturen optreden, voorkomen.
Veelgebruikte hydrothermale technieken zijn onder andere:
hydrolyse-oxidatie, hydrothermale precipitatie, synthese, dehydratatie, ontleding, kristallisatie, anodische oxidatie en boogactieve elektrodemethoden.
Deze methode heeft een groot ontwikkelingspotentieel.
Micro-emulsie (omgekeerde micel) methode
Micro-emulsies zijn thermodynamisch stabiele systemen die bestaan uit: water, olie, oppervlakteactieve stoffen en co-oppervlakteactieve stoffen. W/O-micro-emulsies fungeren als microreactoren. Ze beperken de deeltjesgroei tot op nanoschaal.
Omdat de reactie plaatsvindt in minuscule waterkernen, wordt de groei van de reactieproducten beperkt door de straal van de waterkernen. De grootte van de waterkernen bepaalt dus direct de grootte van de ultrafijne poederdeeltjes. Door verschillende oppervlakteactieve stoffen en co-oppervlakteactieve stoffen te selecteren, worden waterkernen van verschillende groottes gevormd, waardoor de synthese van ultrafijne poeders met verschillende deeltjesgroottes mogelijk wordt.
Deze methode is gebruikt voor de synthese van: nano-Fe₂O₃, nano-Al(OH)₃, nano-CdS en nano-Fe–B composieten.
Sol-Gel-methode
De sol-gelmethode zet metaal-organische of anorganische voorlopers om in vaste stoffen door middel van:
oplossing → sol → gel → warmtebehandeling.
Op basis van de geleervormingsmechanismen omvat het het volgende:
- Colloïdaal sol-type
- Anorganisch polymeertype
- Complex type
Deze methode levert het volgende op:
- Bolvormige deeltjes
- Smalle grootteverdeling
- Minimale agglomeratie
- Amorfe of nanokristallijne oxiden
Het verlaagt ook de sintertemperatuur en versnelt de verdichtingskinetiek.
Oplosmiddelverdampingsmethode
Bij deze methode wordt oplosmiddel uit een oplossing verwijderd. Oververzadiging veroorzaakt neerslag van de opgeloste stof. Om uniformiteit te behouden, worden oplossingen in fijne druppeltjes verspreid. Spuittechnieken worden vaak gebruikt.
De belangrijkste varianten zijn onder andere:
- Vriesdrogen
- Spuitdrogen
- Hete kerosine drogen
- Spuitpyrolyse
Spuitpyrolyseproces:
- Het oplosmiddel verdampt van de oppervlakken van de druppels.
- Druppels krimpen in volume.
- De opgeloste stof diffundeert naar het centrum.
- Warmteoverdracht van de gasfase naar de druppels.
- Warmte wordt binnenin druppels geleid.
Voordelen:
- Produceert bolvormige poeders.
- Goede doorstroming
- Geschikt voor complexe oxiden
- Hoge zuiverheid
Nadelen:
- Alleen van toepassing op oplosbare zouten.
Gasfasemethoden
Methoden in de gasfase vormen ultrafijne deeltjes rechtstreeks in de gasfase.
Ze zijn onderverdeeld in:
- Fysische processen (verdamping-condensatie)
- Chemische processen (reacties in de gasfase)
Verwarmingsmethoden omvatten:
Weerstandsverwarming, vlamsynthese, plasma en laserverwarming.
Belangrijkste kenmerken:
- Hoge zuiverheid
- Smalle deeltjesgrootteverdeling
- Uitstekende dispersie
- Zeer kleine deeltjesgrootte
Verdamping-condensatie in gas onder lage druk
Elk vast materiaal kan door verdamping en condensatie nanodeeltjes vormen.
Verschillende warmtebronnen en atmosferen leiden tot uiteenlopende processen.
Verwarmingsmethoden omvatten:
Weerstandsverwarming, boogontlading, plasma, inductieverwarming, laserverwarming en elektronenbundelverwarming. Plasma-, inductie- en lasermethoden zijn met name veelbelovend voor industriële toepassingen.
Chemische dampafzetting (CVD)
Bij CVD worden vluchtige metaalverbindingen als voorlopers gebruikt. Deze verbindingen ontleden of reageren in de gasfase en vormen daarbij nanodeeltjes.
Het is zeer effectief voor materialen met een hoog smeltpunt.
Op basis van de verwarmingsmodus omvat CVD het volgende:
- Thermische CVD
- Plasma-versterkte CVD
- Laser CVD
Voordelen:
- Extreem hoge zuiverheid
- Nauwkeurige procescontrole
- Interfacebesturing op atomair niveau
- Flexibele samenstelling en kristalstructuur
CVD wordt veel gebruikt in de micro-elektronica, functionele coatings en de synthese van ultrafijne deeltjes.
Sputtermethode
Bij sputteren wordt een gloeiontlading opgewekt tussen elektroden. Ionen bombarderen het doelwit, waardoor atomen worden uitgestoten. De gesputterde atomen koelen af en condenseren of reageren tot ultrafijne poeders.
Deze methode kan het volgende opleveren:
- Metaalpoeders met een hoog smeltpunt
- Samengestelde poeders
- Samengestelde poeders
Voordelen:
- Smalle deeltjesgrootteverdeling
Nadelen:
- Zeer lage productieopbrengst
Andere methoden zijn onder meer sjabloonsynthese, metaaldampsynthese en gasfasecondensatie.
Conclusie
Het onderzoek naar de bereiding van ultrafijne poeders neemt snel toe. Nieuwe technologieën blijven zich ontwikkelen, terwijl traditionele methoden voortdurend worden verbeterd. In de praktijk worden processen geselecteerd of gecombineerd op basis van de gewenste poedereigenschappen. Materiaalselectie en parameteroptimalisatie verbeteren de poederprestaties verder. Vergeleken met ontwikkelde landen staat de Chinese poederindustrie nog steeds voor uitdagingen. Belangrijke problemen zijn oxidatie, agglomeratie en vochtabsorptie. Het oplossen van deze problemen is essentieel voor het bereiken van grootschalige industriële productie van ultrafijne poeders.
Bedankt voor het lezen. Ik hoop dat mijn artikel je helpt. Laat hieronder een reactie achter. Je kunt ook contact opnemen met de klantenservice van Zelda Online voor verdere vragen.
— Geplaatst door Emily Chen