Trong những năm gần đây, việc phát triển vật liệu mới đã tăng tốc trên toàn thế giới. Nghiên cứu vật liệu đang hướng tới các trạng thái cực đoan và hiệu suất cao hơn. Trong số các vật liệu mới nổi, bột siêu mịn đã thu hút sự chú ý đáng kể.
Các nghiên cứu hiện nay về bột siêu mịn chủ yếu tập trung vào bốn khía cạnh: phương pháp chế tạo, cấu trúc vi mô, tính chất vĩ mô và ứng dụng. Trong đó, công nghệ chế tạo là yếu tố quan trọng nhất.
Có nhiều phương pháp sản xuất bột siêu mịn. Dựa trên trạng thái vật chất tham gia, chúng có thể được phân loại thành các phương pháp pha rắn, phương pháp pha lỏng và phương pháp pha khí. Bài viết này giới thiệu các phương pháp chính. chuẩn bị bột siêu mịn các kỹ thuật và tiến bộ gần đây.
Phương pháp pha rắn
Xử lý pha rắn là một phương pháp sản xuất bột truyền thống. Phương pháp này có đặc điểm là chi phí thấp, sản lượng lớn và quy trình đơn giản. Với sự phát triển của công nghệ năng lượng cao, nghiền bi Và kết hợp nghiền và phân loại bằng tia nước, Tuy nhiên, phương pháp này vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi độ tinh khiết cực cao và các tiêu chuẩn nghiêm ngặt. kích thước hạt Không cần kiểm soát. Các phương pháp pha rắn chủ yếu được sử dụng để sản xuất bột siêu mịn từ các vật liệu giòn.
Mài cơ học
Quá trình nghiền cơ học làm giảm kích thước hạt thông qua việc tác dụng các lực cơ học. Vật liệu rắn bị biến dạng và vỡ vụn dưới tác động của ứng suất, tạo ra các hạt mịn hơn.
Các cơ chế mài chính bao gồm: nén, cắt, va đập và mài mòn.
Giới hạn mài mòn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như:
- Tính chất vật liệu
- Ứng suất cơ học tác dụng
- Phương pháp nghiền
- Điều kiện quy trình
- Môi trường mài
Các thiết bị mài điển hình bao gồm: máy nghiền phản lực, máy nghiền bi, máy nghiền khuấy, máy nghiền khí và máy nghiền keo.
Phạm vi hoạt động điển hình của thiết bị nghiền siêu mịn
| Loại thiết bị | Kích thước đầu vào (mm) | Kích thước sản phẩm (μm) | Độ cứng áp dụng | Chế độ mài |
|---|---|---|---|---|
| Tốc độ cao nhà máy tác động | < 8 | 3–74 | Vừa/mềm | Khô |
| Máy nghiền phản lực | < 2 | 1–30 | Vừa/mềm | Khô |
| Máy nghiền rung | < 6 | 1–74 | Cứng / trung bình / mềm | Khô / ướt |
| Máy nghiền khuấy | < 1 | 1–74 | Cứng / trung bình / mềm | Khô / ướt |
| máy nghiền bi | < 10 | 1–100 | Cứng / trung bình / mềm | Khô / ướt |
| Máy nghiền keo | < 0,2 | 1–20 | Vừa/mềm | Ướt |
Thuận lợi:
- Năng lực sản xuất lớn
- Chi phí thấp
- Quy trình đơn giản
- Cơ khí–hóa chất quá trình kích hoạt cải thiện khả năng phản ứng của bột.
Nhược điểm:
- Độ tinh khiết thấp hơn
- Độ mịn hạn chế
- Kiểm soát hình dạng hạt kém
Phương pháp này phù hợp với sản xuất công nghiệp quy mô lớn, chẳng hạn như khoáng sản xử lý sâu.
Nghiền siêu âm
Phương pháp nghiền siêu âm sử dụng rung động tần số cao để phá vỡ các hạt rắn. Vật liệu thường được phân tán trong môi trường chất lỏng, phổ biến nhất là nước.
Máy phát siêu âm truyền năng lượng vào chất lỏng. Khi năng lượng tích lũy bên trong các hạt vượt quá năng lượng liên kết của chúng, hiện tượng nứt vỡ sẽ xảy ra.
Phương pháp nghiền siêu âm chỉ hiệu quả đối với các hạt có cấu trúc lỏng lẻo. Nó chủ yếu được sử dụng để phân tán các hạt siêu mịn bị vón cục trong chất lỏng. Do đó, nó thường được gọi là hệ thống phân tán siêu âm hơn là một phương pháp nghiền thực sự.
Phương pháp phân hủy nhiệt
Phương pháp này tạo ra các pha rắn mới thông qua quá trình phân hủy nhiệt các tiền chất rắn. Các phản ứng phân hủy điển hình liên quan đến pha rắn và pha khí. Thiết bị phân hủy nhiệt khá đơn giản. Gia nhiệt bằng điện trở thông thường là đủ. Quá trình này dễ kiểm soát.
Tuy nhiên, phương pháp này thường chỉ giới hạn ở bột oxit. Các hạt thu được thường thô hoặc vón cục nhiều. Thông thường cần phải nghiền thêm để thu được bột siêu mịn.
Phản ứng trạng thái rắn ở nhiệt độ cao
Phương pháp này bắt đầu bằng việc thiết kế thành phần và tỷ lệ các nguyên liệu thô. Các chất phản ứng phổ biến bao gồm oxit, cacbonat và hydroxit. Các vật liệu được trộn đều và ép thành khối. Sau đó, chúng được nung ở nhiệt độ cao để tạo thành pha mong muốn. Sản phẩm đã nung cuối cùng được nghiền đến kích thước hạt mục tiêu. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi cho các loại bột gốm điện tử phức tạp.
Các yếu tố cần cân nhắc chính bao gồm:
- Việc lựa chọn nguyên liệu ban đầu ảnh hưởng rất lớn đến điều kiện phản ứng và sản phẩm.
- Trình tự phản ứng ảnh hưởng đến các đặc tính của bột thành phẩm.
Thuận lợi:
- Thích hợp cho sản xuất hàng loạt
- Chi phí tương đối thấp
Nhược điểm:
- Rất khó để giảm kích thước hạt xuống dưới 0,5–1 μm.
- Quá trình nghiền cơ học có thể đưa tạp chất vào.
Phương pháp pha lỏng
Các phương pháp pha lỏng mang lại quy trình linh hoạt, vận hành dễ dàng và kiểm soát kích thước hạt chính xác. Chúng cho phép kiểm soát thành phần và pha tạp dễ dàng. Quá trình trộn có thể diễn ra ở cấp độ phân tử hoặc nguyên tử. Bột thu được có hoạt tính bề mặt cao. Các phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm và công nghiệp để sản xuất bột siêu mịn oxit kim loại.
Phương pháp kết tủa
Kết tủa là một trong những phương pháp tổng hợp pha lỏng phổ biến nhất.
Các muối tan phản ứng trong dung dịch tạo thành các hợp chất không tan, chẳng hạn như:
- Hixit
- Cacbonat
- Sulfat
- Oxalat
Sau đó, chất kết tủa được phân hủy bằng cách đun nóng hoặc xử lý trực tiếp để thu được sản phẩm cuối cùng.
Các kỹ thuật tạo mưa chính bao gồm:
- Lượng mưa trực tiếp
- Kết tủa đồng thời
- Lượng mưa đồng nhất
- Lượng mưa phức tạp
- Kết tủa thủy phân
Thuận lợi:
- Quá trình phản ứng đơn giản
- Chi phí thấp
- Dễ dàng mở rộng quy mô công nghiệp
- Thích hợp cho oxit đơn hoặc oxit hỗn hợp.
Nhược điểm:
- Lọc khó khăn
- Các chất kết tủa còn sót lại dưới dạng tạp chất
- Lượng sản phẩm bị hao hụt trong quá trình giặt
Phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt hoạt động trong một hệ thống kín ở nhiệt độ và áp suất cao. Các phản ứng xảy ra trong nước, dung dịch nước hoặc hơi nước.
Phương pháp này tạo ra các loại bột có:
- Kích thước hạt nhỏ
- Độ tinh khiết cao
- Phân tán tốt
- Phân phối kích thước hẹp
- Cấu trúc tinh thể được kiểm soát
- Sự kết tụ tối thiểu
Nó có thể tránh được các vấn đề về biến đổi pha, phân hủy hoặc bay hơi thường xảy ra ở nhiệt độ cao.
Các kỹ thuật thủy nhiệt phổ biến bao gồm:
Các phương pháp bao gồm: thủy phân, oxy hóa, kết tủa thủy nhiệt, tổng hợp, khử nước, phân hủy, kết tinh, oxy hóa anot và phương pháp điện cực hoạt động bằng hồ quang.
Phương pháp này cho thấy tiềm năng phát triển mạnh mẽ.
Phương pháp vi nhũ tương (micelle ngược)
Hệ vi nhũ tương là hệ thống ổn định về mặt nhiệt động học, bao gồm: nước, dầu, chất hoạt động bề mặt và chất hỗ trợ hoạt động bề mặt. Hệ vi nhũ tương W/O hoạt động như các lò phản ứng vi mô. Chúng hạn chế sự phát triển của các hạt ở cấp độ nano.
Vì phản ứng xảy ra trong các nhân nước nhỏ li ti, sự phát triển của các sản phẩm phản ứng bị giới hạn bởi bán kính của các nhân nước. Do đó, kích thước của các nhân nước quyết định trực tiếp kích thước của các hạt bột siêu mịn. Bằng cách lựa chọn các chất hoạt động bề mặt và chất đồng hoạt động bề mặt khác nhau, các nhân nước có kích thước khác nhau được hình thành, từ đó cho phép tổng hợp các loại bột siêu mịn với kích thước hạt khác nhau.
Phương pháp này đã được sử dụng để tổng hợp: nano-Fe₂O₃, nano-Al(OH)₃, nano-CdS và các vật liệu composite nano-Fe–B.
Phương pháp Sol-Gel
Phương pháp sol-gel chuyển đổi các tiền chất kim loại-hữu cơ hoặc vô cơ thành chất rắn thông qua các bước sau:
Dung dịch → keo → gel → xử lý nhiệt.
Dựa trên cơ chế tạo gel, nó bao gồm:
- Loại keo
- Loại polyme vô cơ
- Loại phức tạp
Phương pháp này tạo ra:
- Các hạt hình cầu
- Phân phối kích thước hẹp
- Sự kết tụ tối thiểu
- Oxit vô định hình hoặc tinh thể nano
Nó cũng làm giảm nhiệt độ thiêu kết và đẩy nhanh quá trình nén chặt.
Phương pháp bay hơi dung môi
Phương pháp này loại bỏ dung môi khỏi dung dịch. Hiện tượng bão hòa quá mức gây ra sự kết tủa chất tan. Để duy trì tính đồng nhất, dung dịch được phân tán thành các giọt nhỏ. Kỹ thuật phun sương thường được sử dụng.
Các biến thể chính bao gồm:
- Sấy đông khô
- Sấy phun
- Sấy dầu hỏa nóng
- Nhiệt phân phun
Quá trình nhiệt phân phun sương:
- Dung môi bay hơi khỏi bề mặt giọt chất lỏng.
- Các giọt nước co lại về thể tích
- Chất tan khuếch tán về phía trung tâm.
- Truyền nhiệt từ pha khí sang các giọt chất lỏng
- Nhiệt dẫn truyền bên trong các giọt nước
Thuận lợi:
- Sản xuất bột hình cầu
- Khả năng chảy tốt
- Thích hợp cho các oxit phức tạp
- Độ tinh khiết cao
Nhược điểm:
- Chỉ áp dụng cho các muối hòa tan.
Phương pháp pha khí
Các phương pháp pha khí tạo ra các hạt siêu mịn trực tiếp trong pha khí.
Chúng được chia thành:
- Các quá trình vật lý (bay hơi – ngưng tụ)
- Các quá trình hóa học (phản ứng pha khí)
Các phương pháp gia nhiệt bao gồm:
Gia nhiệt bằng điện trở, tổng hợp bằng ngọn lửa, plasma và gia nhiệt bằng laser.
Các tính năng chính:
- Độ tinh khiết cao
- Phân bố kích thước hạt hẹp
- Phân tán tuyệt vời
- Kích thước hạt rất nhỏ
Sự bay hơi – ngưng tụ trong khí áp suất thấp
Bất kỳ vật liệu rắn nào cũng có thể tạo thành các hạt nano thông qua quá trình bay hơi và ngưng tụ.
Các nguồn nhiệt và môi trường khác nhau dẫn đến các quá trình khác nhau.
Các phương pháp gia nhiệt bao gồm:
Các phương pháp gia nhiệt bao gồm: gia nhiệt bằng điện trở, phóng điện hồ quang, plasma, gia nhiệt cảm ứng, gia nhiệt bằng laser và gia nhiệt bằng chùm tia điện tử. Các phương pháp plasma, cảm ứng và laser đặc biệt hứa hẹn cho các ứng dụng công nghiệp.
Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Phương pháp CVD sử dụng các hợp chất kim loại dễ bay hơi làm tiền chất. Các hợp chất này phân hủy hoặc phản ứng trong pha khí để tạo thành các hạt nano.
Phương pháp này rất hiệu quả đối với các vật liệu có điểm nóng chảy cao.
Dựa trên chế độ gia nhiệt, CVD bao gồm:
- CVD nhiệt
- Bệnh tim mạch tăng cường huyết tương
- CVD Laser
Thuận lợi:
- Độ tinh khiết cực cao
- Kiểm soát quy trình chính xác
- Kiểm soát giao diện ở cấp độ nguyên tử
- Thành phần linh hoạt và cấu trúc tinh thể
CVD được sử dụng rộng rãi trong vi điện tử, lớp phủ chức năng và tổng hợp hạt siêu mịn.
Phương pháp phun phủ
Trong phương pháp phún xạ, một sự phóng điện phát sáng được tạo ra giữa các điện cực. Các ion bắn phá vật liệu đích, làm bật ra các nguyên tử. Các nguyên tử bị bắn phá nguội đi và ngưng tụ hoặc phản ứng để tạo thành bột siêu mịn.
Phương pháp này có thể tạo ra:
- Bột kim loại có điểm nóng chảy cao
- Bột hỗn hợp
- Bột hỗn hợp
Thuận lợi:
- Phân bố kích thước hạt hẹp
Nhược điểm:
- Năng suất sản xuất rất thấp
Các phương pháp khác bao gồm tổng hợp khuôn mẫu, tổng hợp hơi kim loại và ngưng tụ pha khí.
Phần kết luận
Nghiên cứu về chế tạo bột siêu mịn đang phát triển nhanh chóng. Các công nghệ mới liên tục xuất hiện, trong khi các phương pháp truyền thống được nâng cấp không ngừng. Trên thực tế, các quy trình được lựa chọn hoặc kết hợp dựa trên yêu cầu của bột mục tiêu. Việc lựa chọn vật liệu và tối ưu hóa thông số giúp cải thiện hơn nữa hiệu suất của bột. So với các nước phát triển, ngành công nghiệp sản xuất bột của Trung Quốc vẫn còn đối mặt với nhiều thách thức. Các vấn đề chính bao gồm quá trình oxy hóa, vón cục và hấp thụ độ ẩm. Giải quyết những vấn đề này là điều cần thiết để đạt được sản xuất công nghiệp quy mô lớn bột siêu mịn.
Cảm ơn bạn đã đọc. Tôi hy vọng bài viết của tôi hữu ích. Vui lòng để lại bình luận bên dưới. Bạn cũng có thể liên hệ với bộ phận chăm sóc khách hàng trực tuyến của Zelda nếu có bất kỳ thắc mắc nào khác.
— Đăng bởi Emily Chen