Ультратонкий порошокs относятся к материалам с размером частиц от микрометра до нанометра. Согласно консенсусу, минеральная перерабатывающая промышленность, ультратонкий порошокs определяются как порошки с 100% размер частицы менее 30 мкм. Наноматериалы обладают уникальными свойствами, которыми не обладают традиционные материалы, такими как размерные эффекты, макроскопические эффекты квантового туннелирования и поверхностные эффекты. Эти свойства обеспечивают их широкое применение.
Однако наноматериалы обладают большой удельной поверхностью и высокой активностью, что делает их крайне нестабильными. Они склонны к агрегации, что приводит к потере их первоначальных свойств и снижению их ценности. Агрегация является ключевой технологической проблемой, сдерживающей развитие наноматериалов.
Агрегация ультрадисперсных порошков – это явление, при котором первичные частицы порошка соединяются друг с другом, образуя более крупные кластеры частиц в процессе приготовления, разделения, обработки или хранения. Причины агрегации ультрадисперсных порошков пудрав основном имеют тройной характер:
- Молекулярные взаимодействия между частицы
- Электростатические взаимодействия между частицами
- Адгезия частиц в воздухе
Молекулярные взаимодействия, приводящие к агрегации:
При измельчении минеральных материалов до определённого размера расстояние между частицами становится чрезвычайно малым, а силы Ван-дер-Ваальса между ними значительно превышают их собственные силы гравитации. Таким образом, ультрадисперсные частицы склонны притягиваться и объединяться друг с другом. Водородные связи, адсорбированные водные мостики и другие химический Связи на поверхности ультрадисперсных частиц также приводят к слипанию и агломерации частиц.
Электростатические взаимодействия, приводящие к агрегации
В процессе ультратонкой очистки, вследствие ударов, трения и уменьшения размера частиц, на поверхности вновь образующихся ультратонких частиц накапливается большое количество положительного или отрицательного заряда. Эти частицы крайне нестабильны, поскольку выступы на их поверхности несут положительный или отрицательный заряд. Чтобы достичь стабильного состояния, эти частицы притягиваются друг к другу, а острые углы соприкасаются, что приводит к агрегации. Основной силой здесь является электростатическое взаимодействие.
Адгезия частиц в воздухе
При относительной влажности воздуха выше 651⁰С/3⁰С на поверхности частиц и между ними начинает конденсироваться водяной пар. Образование жидких мостиков между частицами значительно усиливает эффект агрегации. Кроме того, в процессе измельчения минеральные материалы поглощают большое количество механической и тепловой энергии, что приводит к значительному повышению поверхностной энергии образующихся ультрадисперсных частиц. Частицы находятся в нестабильном состоянии и, чтобы снизить поверхностную энергию, стремятся к агрегации, тем самым стабилизируясь.
Методы диспергирования в жидкой фазе
Механическая дисперсия
Механическое диспергирование использует внешние сдвиговые или ударные силы для диспергирования наночастиц в среде. Методы включают: шлифовка, шаровое измельчение, вибрационное измельчение, коллоидные мельницы, воздухоструйные мельницы и механическое перемешивание. Однако, когда частицы покидают турбулентное поле, создаваемое механическим перемешиванием, внешняя среда возвращается в норму, и частицы могут снова агрегировать. Поэтому сочетание механического перемешивания и химических диспергаторов часто обеспечивает лучший эффект диспергирования.
Химическая дисперсия
Химическая дисперсия широко используется в промышленном производстве для диспергирования ультратонкий порошокв суспензии. Добавление неорганических электролитов, поверхностно-активных веществ и полимерных диспергаторов изменяет поверхностные свойства порошков, изменяя их взаимодействие с жидкой средой и между частицами, что приводит к диспергированию. К диспергаторам относятся поверхностно-активные вещества, низкомолекулярные неорганические электролиты, полимерные диспергаторы и связующие агенты, причем наиболее часто используются полимерные диспергаторы.
Ультразвуковой метод
Ультразвуковое диспергирование предполагает непосредственное помещение суспензии в ультразвуковое поле и контроль соответствующей частоты и времени воздействия для диспергирования частиц. Ультразвук более эффективен для диспергирования наночастиц. Ультразвуковая кавитация создает локальные высокие температуры, давление, сильные ударные волны и микроструи, которые ослабляют взаимодействие частиц на уровне наночастиц, эффективно предотвращая агрегацию и обеспечивая диспергирование. Однако следует избегать перегрева, поскольку увеличение тепловой и механической энергии может усилить столкновения частиц и привести к дальнейшей агрегации.
Методы диспергирования в газовой фазе
Сухая дисперсия
Во влажном воздухе жидкие мостики между частицами порошка являются основной причиной агрегации. Сушка твердых материалов включает два основных процесса: передачу тепла для испарения воды и диффузию испарившейся воды в газовую фазу. Поэтому предотвращение образования жидких мостиков или разрушение уже существующих является ключевым методом обеспечения дисперсии частиц. В большинстве процессов производства порошков нагрев и сушка являются предварительной обработкой.
Механическая дисперсия
Механическое диспергирование предполагает использование механической силы для разделения кластеров частиц. Необходимым условием является превышение механической силы (напряжения сдвига и сжатия) над силой сцепления между частицами. Эта сила обычно создаётся высокоскоростным вращением дисков, высокоскоростным нагнетанием газового потока и сильной турбулентностью. Механическое диспергирование легко реализовать, но это метод принудительного диспергирования. Хотя частицы могут быть разделены в диспергаторе, силы взаимодействия между ними остаются неизменными. После выхода из диспергатора частицы могут снова слипаться. Более того, механическое диспергирование может привести к дроблению хрупких частиц, а его эффективность снижается по мере износа механического оборудования.
Электростатическая дисперсия
Для однородных частиц электростатические силы создают отталкивание из-за одинакового заряда на поверхностях. Электростатические силы можно использовать для рассеивания частиц. Проблема заключается в том, как полностью зарядить частицы. Для зарядки частиц можно использовать такие методы, как контактная зарядка, индукционная зарядка или коронный разряд. Наиболее эффективным методом является коронный разряд, при котором частицы проходят через ионизированную область и получают одинаковый заряд, что позволяет электростатическому отталкиванию рассеивать частицы.
Эпический порошок
Epic Powder, более 20 лет опыта работы в отрасли сверхтонких порошков. Активно продвигаем будущее развитие сверхтонких порошков, уделяя особое внимание процессам дробления, измельчения, классификации и модификации сверхтонких порошков. Свяжитесь с нами для бесплатной консультации и индивидуальных решений! Наша команда экспертов стремится предоставлять высококачественные продукты и услуги для максимизации ценности вашей обработки порошков. Epic Powder — ваш надежный эксперт по обработке порошков!