ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การพัฒนาวัสดุใหม่ ๆ ทั่วโลกได้เร่งตัวขึ้น การวิจัยวัสดุมุ่งไปสู่สภาวะสุดขั้วและประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ในบรรดาวัสดุใหม่ ๆ ผงละเอียดพิเศษได้รับความสนใจอย่างมาก.
การวิจัยในปัจจุบันเกี่ยวกับผงละเอียดพิเศษส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่สี่ด้าน ได้แก่ วิธีการเตรียม โครงสร้างจุลภาค คุณสมบัติระดับมหภาค และการประยุกต์ใช้งาน ในบรรดาด้านเหล่านี้ เทคโนโลยีการเตรียมถือเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุด.
มีหลายวิธีในการผลิตผงละเอียดพิเศษ โดยสามารถจำแนกตามสถานะของสสารได้เป็น วิธีการในสถานะของแข็ง วิธีการในสถานะของเหลว และวิธีการในสถานะก๊าซ บทความนี้จะแนะนำวิธีการหลักๆ เหล่านั้น การเตรียมผงละเอียดพิเศษ เทคนิคและความก้าวหน้าล่าสุด.
วิธีการเฟสของแข็ง
กระบวนการผลิตแบบของแข็งเป็นวิธีการผลิตผงแบบดั้งเดิม มีข้อดีคือต้นทุนต่ำ ผลผลิตสูง และกระบวนการไม่ซับซ้อน ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานสูง การบดลูกบอล และ รวมกัน การบดและคัดแยกด้วยเจ็ท, วิธีการนี้ยังคงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในงานที่ต้องการความบริสุทธิ์สูงมากและมาตรฐานที่เข้มงวด ขนาดอนุภาค ไม่จำเป็นต้องมีการควบคุม วิธีการในเฟสของแข็งส่วนใหญ่ใช้สำหรับการผลิตผงละเอียดพิเศษของวัสดุที่เปราะบาง.
การเจียรด้วยเครื่องจักร
การบดเชิงกลช่วยลดขนาดอนุภาคโดยใช้แรงเชิงกล วัสดุแข็งจะเสียรูปและแตกหักภายใต้แรงกด ทำให้ได้อนุภาคที่ละเอียดขึ้น.
กลไกหลักในการเจียรประกอบด้วย: การอัด การเฉือน การกระแทก และการเสียดสี.
ขีดจำกัดการเจียรขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น:
- คุณสมบัติของวัสดุ
- แรงเค้นเชิงกลที่ใช้
- วิธีการบด
- เงื่อนไขกระบวนการ
- สภาพแวดล้อมการเจียร
อุปกรณ์บดทั่วไปประกอบด้วย: เครื่องบดแบบเจ็ท, เครื่องบดแบบลูกบอล, เครื่องบดแบบกวน, เครื่องบดแบบใช้ลม และเครื่องบดแบบคอลลอยด์.
ช่วงการทำงานทั่วไปของอุปกรณ์บดละเอียดพิเศษ
| ประเภทอุปกรณ์ | ขนาดป้อน (มม.) | ขนาดผลิตภัณฑ์ (ไมโครเมตร) | ความแข็งที่ใช้งานได้ | โหมดการบด |
|---|---|---|---|---|
| ความเร็วสูง โรงสีกระแทก | < 8 | 3–74 | ปานกลาง / นุ่ม | แห้ง |
| โรงสีเจ็ท | < 2 | 1–30 | ปานกลาง / นุ่ม | แห้ง |
| โรงสีสั่นสะเทือน | < 6 | 1–74 | แข็ง / ปานกลาง / อ่อน | แห้ง / เปียก |
| เครื่องบดแบบกวน | < 1 | 1–74 | แข็ง / ปานกลาง / อ่อน | แห้ง / เปียก |
| โรงงานลูกบอล | < 10 | 1–100 | แข็ง / ปานกลาง / อ่อน | แห้ง / เปียก |
| เครื่องบดคอลลอยด์ | < 0.2 | 1–20 | ปานกลาง / นุ่ม | เปียก |
ข้อดี:
- กำลังการผลิตขนาดใหญ่
- ต้นทุนต่ำ
- กระบวนการง่ายๆ
- กลศาสตร์–เคมี การกระตุ้นช่วยเพิ่มปฏิกิริยาของผง
ข้อเสีย:
- ความบริสุทธิ์ต่ำกว่า
- ความละเอียดจำกัด
- การควบคุมรูปร่างอนุภาคที่ไม่ดี
วิธีการนี้เหมาะสำหรับการผลิตในระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ เช่น แร่ การประมวลผลเชิงลึก.
การบดละเอียดด้วยคลื่นอัลตราโซนิค
การบดละเอียดด้วยคลื่นอัลตราโซนิคใช้การสั่นสะเทือนความถี่สูงเพื่อทำลายอนุภาคของแข็ง โดยปกติวัสดุจะกระจายอยู่ในตัวกลางที่เป็นของเหลว ซึ่งส่วนใหญ่คือน้ำ.
เครื่องกำเนิดคลื่นอัลตราโซนิกจะถ่ายโอนพลังงานเข้าไปในของเหลว เมื่อพลังงานที่สะสมอยู่ภายในอนุภาคเกินกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอนุภาค การแตกหักก็จะเกิดขึ้น.
การบดด้วยคลื่นอัลตราโซนิคมีประสิทธิภาพเฉพาะกับอนุภาคที่มีโครงสร้างหลวมๆ เท่านั้น โดยส่วนใหญ่ใช้เพื่อกระจายอนุภาคละเอียดมากที่จับตัวเป็นก้อนในของเหลว ดังนั้นจึงมักถูกเรียกว่าระบบกระจายตัวด้วยคลื่นอัลตราโซนิคมากกว่าวิธีการบดที่แท้จริง.
วิธีการสลายตัวด้วยความร้อน
วิธีนี้สร้างเฟสของแข็งใหม่โดยการสลายตัวด้วยความร้อนของสารตั้งต้นที่เป็นของแข็ง ปฏิกิริยาการสลายตัวโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับเฟสของแข็งและเฟสของก๊าซ อุปกรณ์การสลายตัวด้วยความร้อนนั้นไม่ซับซ้อน การให้ความร้อนด้วยความต้านทานแบบธรรมดาก็เพียงพอแล้ว กระบวนการนี้ควบคุมได้ง่าย.
อย่างไรก็ตาม วิธีนี้โดยทั่วไปจำกัดอยู่เฉพาะผงออกไซด์เท่านั้น อนุภาคที่ได้มักมีขนาดใหญ่หรือจับตัวเป็นก้อนมาก จำเป็นต้องบดเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ผงละเอียดมากยิ่งขึ้น.
ปฏิกิริยาของแข็งที่อุณหภูมิสูง
วิธีการนี้เริ่มต้นด้วยการออกแบบองค์ประกอบและอัตราส่วนของวัตถุดิบ โดยทั่วไปแล้วสารตั้งต้นได้แก่ ออกไซด์ คาร์บอเนต และไฮดรอกไซด์ วัตถุดิบเหล่านี้จะถูกผสมให้เข้ากันอย่างสม่ำเสมอและอัดเป็นก้อน จากนั้นจึงนำไปเผาที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้ได้เฟสที่ต้องการ ผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการเผาผนึกแล้วจะถูกบดให้ได้ขนาดอนุภาคตามเป้าหมาย วิธีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับผงเซรามิกอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน.
ประเด็นสำคัญที่ควรพิจารณา ได้แก่:
- การเลือกวัตถุดิบเริ่มต้นมีผลอย่างมากต่อสภาวะการเกิดปฏิกิริยาและผลิตภัณฑ์ที่ได้.
- ลำดับปฏิกิริยามีผลต่อคุณสมบัติของผงที่ได้ในขั้นสุดท้าย.
ข้อดี:
- เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมาก
- ต้นทุนค่อนข้างต่ำ
ข้อเสีย:
- การลดขนาดอนุภาคให้ต่ำกว่า 0.5–1 ไมโครเมตรนั้นทำได้ยาก
- การบดด้วยเครื่องจักรอาจทำให้เกิดสิ่งเจือปนได้
วิธีการในเฟสของเหลว
วิธีการสังเคราะห์ในเฟสของเหลวให้กระบวนการที่ยืดหยุ่น ใช้งานง่าย และควบคุมขนาดอนุภาคได้อย่างแม่นยำ ช่วยให้ควบคุมองค์ประกอบและเติมสารเจือปนได้ง่าย การผสมสามารถเกิดขึ้นได้ในระดับโมเลกุลหรืออะตอม ผงที่ได้จะมีกิจกรรมบนพื้นผิวสูง วิธีการเหล่านี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรมเพื่อผลิตผงละเอียดพิเศษของโลหะออกไซด์.
วิธีการตกตะกอน
การตกตะกอนเป็นหนึ่งในวิธีการสังเคราะห์ในเฟสของเหลวที่พบได้บ่อยที่สุด.
เกลือที่ละลายน้ำได้จะทำปฏิกิริยาในสารละลายเพื่อสร้างสารประกอบที่ไม่ละลายน้ำ เช่น:
- ไฮดรอกไซด์
- คาร์บอเนต
- ซัลเฟต
- ออกซาเลต
จากนั้นจะนำสารตกตะกอนไปย่อยสลายด้วยความร้อนหรือการบำบัดโดยตรงเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย.
เทคนิคหลักในการทำให้เกิดฝน ได้แก่:
- ฝนโดยตรง
- การตกตะกอนร่วม
- ปริมาณน้ำฝนที่เป็นเนื้อเดียวกัน
- ฝนที่ซับซ้อน
- การตกตะกอนไฮโดรไลซิส
ข้อดี:
- กระบวนการปฏิกิริยาอย่างง่าย
- ต้นทุนต่ำ
- ปรับขนาดอุตสาหกรรมได้ง่าย
- เหมาะสำหรับออกไซด์เดี่ยวหรือออกไซด์ผสม
ข้อเสีย:
- การกรองที่ยากลำบาก
- สารตกตะกอนตกค้างเป็นสิ่งเจือปน
- การสูญเสียผลิตภัณฑ์ระหว่างการซัก
วิธีไฮโดรเทอร์มอล
วิธีการไฮโดรเทอร์มอลทำงานในระบบปิดภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง ปฏิกิริยาเกิดขึ้นในน้ำ สารละลายในน้ำ หรือไอน้ำ.
วิธีการนี้จะผลิตผงที่มีคุณสมบัติดังนี้:
- ขนาดอนุภาคเล็ก
- ความบริสุทธิ์สูง
- การกระจายตัวที่ดี
- การกระจายขนาดที่แคบ
- โครงสร้างผลึกที่ควบคุมได้
- การรวมกลุ่มน้อยที่สุด
วิธีนี้สามารถหลีกเลี่ยงปัญหาการเปลี่ยนแปลงสถานะ การสลายตัว หรือการระเหยที่เกิดขึ้นในอุณหภูมิสูงได้.
เทคนิคการบำบัดด้วยความร้อนใต้ดินที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่:
วิธีการออกซิเดชันด้วยไฮโดรไลซิส การตกตะกอนด้วยความร้อน การสังเคราะห์ การกำจัดน้ำ การสลายตัว การตกผลึก การออกซิเดชันด้วยแอโนด และวิธีการใช้ขั้วไฟฟ้าแบบอาร์ค.
วิธีการนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการพัฒนาที่สูงมาก.
วิธีไมโครอิมัลชัน (ไมเซลล์แบบกลับด้าน)
ไมโครอิมัลชันเป็นระบบที่มีเสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์ ประกอบด้วย น้ำ น้ำมัน สารลดแรงตึงผิว และสารช่วยลดแรงตึงผิว ไมโครอิมัลชันแบบน้ำในน้ำมัน (W/O) ทำหน้าที่เป็นไมโครรีแอคเตอร์ โดยจำกัดการเติบโตของอนุภาคในระดับนาโนเมตร.
เนื่องจากปฏิกิริยาเกิดขึ้นในนิวเคลียสของน้ำขนาดเล็ก การเติบโตของผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาจึงถูกจำกัดด้วยรัศมีของนิวเคลียสของน้ำ ดังนั้น ขนาดของนิวเคลียสของน้ำจึงเป็นตัวกำหนดขนาดของอนุภาคผงละเอียดโดยตรง การเลือกใช้สารลดแรงตึงผิวและสารช่วยลดแรงตึงผิวที่แตกต่างกัน จะทำให้เกิดนิวเคลียสของน้ำที่มีขนาดแตกต่างกัน ซึ่งช่วยให้สามารถสังเคราะห์ผงละเอียดที่มีขนาดอนุภาคต่างกันได้.
วิธีการนี้ถูกนำมาใช้ในการสังเคราะห์: นาโน-Fe₂O₃, นาโน-Al(OH)₃, นาโน-CdS และนาโนคอมโพสิต Fe–B.
วิธีโซล-เจล
วิธีการโซล-เจลเปลี่ยนสารตั้งต้นโลหะอินทรีย์หรืออนินทรีย์ให้เป็นของแข็งโดยผ่านกระบวนการดังต่อไปนี้:
สารละลาย → สารละลาย → เจล → การให้ความร้อน.
โดยพิจารณาจากกลไกการเกิดเจล ประกอบด้วย:
- ชนิดของสารละลายคอลลอยด์
- โพลิเมอร์อนินทรีย์
- ประเภทซับซ้อน
วิธีการนี้ให้ผลลัพธ์ดังนี้:
- อนุภาคทรงกลม
- การกระจายขนาดที่แคบ
- การรวมกลุ่มน้อยที่สุด
- ออกไซด์อสัณฐานหรือนาโนคริสตัลไลน์
นอกจากนี้ยังช่วยลดอุณหภูมิการเผาผนึกและเร่งกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นอีกด้วย.
วิธีการระเหยตัวทำละลาย
วิธีการนี้จะกำจัดตัวทำละลายออกจากสารละลาย การอิ่มตัวยิ่งยวดจะทำให้ตัวถูกละลายตกตะกอน เพื่อรักษาความสม่ำเสมอ สารละลายจะถูกกระจายออกเป็นละอองขนาดเล็ก เทคนิคการฉีดพ่นเป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไป.
รูปแบบหลักๆ ได้แก่:
- การทำแห้งแบบแช่แข็ง
- การอบแห้งแบบพ่น
- การอบแห้งด้วยน้ำมันก๊าดร้อน
- การเผาไหม้แบบสเปรย์
กระบวนการไพโรไลซิสแบบพ่น:
- ตัวทำละลายระเหยออกจากพื้นผิวของหยดน้ำ
- หยดน้ำมีขนาดเล็ลง
- สารละลายแพร่กระจายเข้าสู่ศูนย์กลาง
- ความร้อนถ่ายเทจากเฟสแก๊สไปยังหย droplets
- ความร้อนนำผ่านภายในหยดน้ำ
ข้อดี:
- ผลิตผงทรงกลม
- มีคุณสมบัติการไหลที่ดี
- เหมาะสำหรับออกไซด์เชิงซ้อน
- ความบริสุทธิ์สูง
ข้อเสีย:
- ใช้ได้เฉพาะกับเกลือที่ละลายน้ำได้เท่านั้น
วิธีการในเฟสแก๊ส
วิธีการในเฟสแก๊สจะสร้างอนุภาคขนาดเล็กมากโดยตรงในเฟสแก๊ส.
แบ่งออกเป็น:
- กระบวนการทางกายภาพ (การระเหย-การควบแน่น)
- กระบวนการทางเคมี (ปฏิกิริยาในสถานะแก๊ส)
วิธีการให้ความร้อน ได้แก่:
การให้ความร้อนด้วยความต้านทาน การสังเคราะห์ด้วยเปลวไฟ พลาสมา และการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์.
คุณสมบัติหลัก:
- ความบริสุทธิ์สูง
- การกระจายขนาดอนุภาคที่แคบ
- การกระจายตัวที่ดีเยี่ยม
- อนุภาคขนาดเล็กมาก
การระเหยและการควบแน่นในก๊าซความดันต่ำ
วัสดุแข็งใดๆ ก็สามารถก่อตัวเป็นอนุภาคนาโนได้โดยผ่านกระบวนการระเหยและการควบแน่น.
แหล่งความร้อนและสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันนำไปสู่กระบวนการต่างๆ ที่แตกต่างกัน.
วิธีการให้ความร้อน ได้แก่:
การให้ความร้อนด้วยความต้านทาน การปล่อยประจุไฟฟ้า พลาสมา การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ การให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ และการให้ความร้อนด้วยลำอิเล็กตรอน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วิธีการใช้พลาสมา การเหนี่ยวนำ และเลเซอร์นั้นมีแนวโน้มที่ดีสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม.
การตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (CVD)
กระบวนการ CVD ใช้สารประกอบโลหะระเหยง่ายเป็นสารตั้งต้น สารประกอบเหล่านี้จะสลายตัวหรือทำปฏิกิริยาในสถานะแก๊สเพื่อสร้างอนุภาคนาโน.
มีประสิทธิภาพสูงสำหรับวัสดุที่มีจุดหลอมเหลวสูง.
โดยพิจารณาจากโหมดการให้ความร้อน CVD ประกอบด้วย:
- การสังเคราะห์ด้วยความร้อนแบบ CVD
- โรคหลอดเลือดหัวใจที่เพิ่มประสิทธิภาพด้วยพลาสมา
- เลเซอร์ CVD
ข้อดี:
- ความบริสุทธิ์สูงมาก
- การควบคุมกระบวนการที่แม่นยำ
- การควบคุมอินเทอร์เฟซระดับอะตอม
- องค์ประกอบที่ยืดหยุ่นและโครงสร้างผลึก
CVD ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านไมโครอิเล็กทรอนิกส์ สารเคลือบที่มีคุณสมบัติเฉพาะ และการสังเคราะห์อนุภาคขนาดเล็กมาก.
วิธีการสปัตเตอร์ริ่ง
ในกระบวนการสปัตเตอริง จะเกิดการปล่อยประจุเรืองแสงระหว่างขั้วไฟฟ้า ไอออนจะพุ่งชนวัสดุเป้าหมาย ทำให้เกิดการดีดอะตอมออกมา อะตอมที่ถูกดีดออกมาจะเย็นตัวลงและควบแน่น หรือทำปฏิกิริยาเพื่อก่อตัวเป็นผงละเอียดมาก.
วิธีการนี้สามารถสร้างผลลัพธ์ได้ดังนี้:
- ผงโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง
- ผงผสม
- ผงคอมโพสิต
ข้อดี:
- การกระจายขนาดอนุภาคที่แคบ
ข้อเสีย:
- ผลผลิตต่ำมาก
วิธีการอื่นๆ ได้แก่ การสังเคราะห์โดยใช้แม่แบบ การสังเคราะห์โดยใช้ไอโลหะ และการควบแน่นในเฟสแก๊ส.
บทสรุป
การวิจัยเกี่ยวกับการเตรียมผงละเอียดพิเศษกำลังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เทคโนโลยีใหม่ๆ เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่วิธีการแบบดั้งเดิมได้รับการปรับปรุงอย่างสม่ำเสมอ ในทางปฏิบัติ กระบวนการต่างๆ จะถูกเลือกหรือผสมผสานกันโดยพิจารณาจากข้อกำหนดของผงที่ต้องการ การเลือกวัสดุและการปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสมจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของผงให้ดียิ่งขึ้น เมื่อเทียบกับประเทศที่พัฒนาแล้ว อุตสาหกรรมการผลิตผงของจีนยังคงเผชิญกับความท้าทายหลายประการ ปัญหาสำคัญ ได้แก่ การเกิดออกซิเดชัน การจับตัวเป็นก้อน และการดูดซับความชื้น การแก้ปัญหาเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุการผลิตผงละเอียดพิเศษในระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่.
ขอบคุณที่อ่านนะคะ หวังว่าบทความของฉันจะเป็นประโยชน์นะคะ แสดงความคิดเห็นไว้ด้านล่างได้เลยค่ะ หรือหากมีข้อสงสัยเพิ่มเติม สามารถติดต่อตัวแทนฝ่ายบริการลูกค้าออนไลน์ของ Zelda ได้ค่ะ
— โพสต์โดย เอมิลี่ เฉิน