Aumento de la superficie
En el contexto de los productos a granel y los polvos, el aumento de superficie se refiere a la trituración de sólidos. Mediante la trituración, un sólido grueso se convierte en un gran número de partículas más pequeñas. A medida que disminuye el tamaño de las partículas, aumenta la superficie específica, es decir, la superficie libremente accesible en relación con la masa del sólido.
La trituración puede realizarse en seco o en húmedo. En la molienda en seco se trabaja sin medio líquido. En la molienda en húmedo, las partículas se suspenden en un líquido. La elección del proceso de trituración depende del material, de la finura deseada y de las condiciones técnicas del proceso.
Existen numerosos tipos de máquinas para la trituración de sólidos. Entre ellos se encuentran los trituradores de grumos, los trituradores de impacto, los molinos de rodillos, los trituradores por fricción, los molinos de martillos, los molinos de chorro de aire, los molinos de bolas, los molinos de bolas con agitador, los molinos oscilantes, los molinos de púas, los molinos de corte, los molinos de discos, los molinos planetarios de bolas, los desaglomeradores y los molinos de clasificación. Los procesos se diferencian en el tipo de fuerza aplicada, por ejemplo, presión, impacto, choque, cizallamiento o fricción.
Una forma especial de trituración de sólidos es la condensación. En este proceso, los vapores o aerosoles de los metales fundidos se enfrían rápidamente, de modo que se forman nanopartículas sólidas. La pulverización de metales fundidos, por ejemplo, mediante atomización con gas, también es un método para aumentar la superficie. Estos procesos se utilizan para producir polvos metálicos con un tamaño de partícula definido. Otro método es la pirólisis, con la que se producen pigmentos negros nanoestructurados.
La geometría de las partículas resultantes depende tanto del material de partida como del mecanismo de trituración. Las partículas pueden ser casi esféricas. Pueden ser irregulares, angulosas, afiladas o en forma de astillas. Los sólidos cristalinos suelen presentar formas facetadas, similares a cristales. Estas propiedades influyen en el comportamiento de flujo, la densidad aparente, la miscibilidad y la reactividad de un polvo.
El aumento de la superficie hace que un sólido sea más eficaz a medida que disminuye el tamaño de las partículas. Esto se puede ver claramente en los pigmentos de color. Cantidades muy pequeñas de pigmentos finamente triturados son suficientes para colorear intensamente grandes cantidades de polvos, plásticos o textiles. El efecto del color depende directamente de la superficie libremente accesible de las partículas de pigmento.
A medida que aumenta la finura, aumentan las fuerzas de adhesión entre las partículas. Por lo tanto, los polvos muy finos tienden a aglomerarse. El polvo cerámico seco y nanofino de la cerámica de alto rendimiento y de ingeniería puede comportarse de forma similar a un polvo más grueso que ha sido humedecido previamente. Tan pronto como estas partículas se mueven unas respecto a otras, se forman aglomerados. Si estas están formadas por partículas primarias nanofinas, pueden presentar una resistencia mecánica muy alta.
Estos aglomerados se pueden desaglomerar eficazmente en mezcladoras de alto rendimiento de amixon®, especialmente cuando se deben mezclar de forma homogénea nanopartículas con otros componentes en polvo. Como alternativa, también es posible la desaglomeración en instalaciones de molienda, por ejemplo, en molinos de chorro de aire.
La relación entre la trituración y el aumento de la superficie se puede ilustrar geométricamente. El punto de partida es un paralelepípedo de forma regular con una longitud de arista L. Su volumen es L³, su superficie 6·L². Si el paralelepípedo se divide por la mitad en las tres direcciones espaciales en una etapa de trituración, se obtienen ocho paralelepípedos del mismo tamaño con una longitud de arista L/2.
Tras n pasos de trituración, el número de partículas es
N(n) = 8ⁿ
La superficie de una sola partícula es
A₁(n) = 6·(L/2ⁿ)²
La superficie total de todas las partículas es
A₍ges₎(n) = N(n) · A₁(n) = 6·L²·2ⁿ
El número de partículas crece exponencialmente con el número de pasos de trituración. La superficie total también aumenta exponencialmente, pero con una pendiente menor. Por lo tanto, para las representaciones gráficas es conveniente utilizar una escala logarítmica en el eje de ordenadas.
Estas consideraciones geométricas y energéticas ilustran el gran impacto que tienen los procesos de trituración en las propiedades físicas y químicas de los polvos. Los principios activos médicos pueden interactuar mejor con los sistemas biológicos. Mediante la sinterización de polvos muy finos se crean nuevos materiales de alto rendimiento, por ejemplo, para aplicaciones en electroquímica, tecnología de alta temperatura, superconductividad, optoelectrónica, sensórica, tecnología de la información o generación de energía.
La energía necesaria para la trituración E es elevada. Depende del grado de trituración. Para describir esta relación, se han establecido tres leyes clásicas de la energía en la tecnología de trituración.
La ley de Rittinger parte de la base de que la energía necesaria es proporcional a la superficie recién formada. Es especialmente adecuada para la molienda fina y ultrafina. El consumo específico de energía se calcula como
Eₛ = KR · (1/d₂ − 1/d₁)
- d1: tamaño característico del grano inicial, d2d_2d2: tamaño final del grano (por ejemplo, d80 o d50)
- KR: constante del material/proceso
La ley de Kick describe el consumo de energía como una función de la relación de trituración. Es especialmente adecuada para la trituración gruesa. Se supone una similitud geométrica de las partículas. El consumo específico de energía es
Eₛ = KK · ln (d₁/d₂)
La ley de Bond se utiliza para grados de molienda medios. Representa un compromiso práctico entre ambos enfoques y se aplica con frecuencia en el ámbito de la trituración media. Tiene en cuenta que el consumo de energía está relacionado con la raíz cuadrada del tamaño del grano. El consumo específico de energía es
Eₛ = KB · (1/√d₂ − 1/√d₁)
- d1 es el tamaño de grano característico del material de alimentación
- d2 es el tamaño de grano característico del producto molido
En la práctica industrial, la ley de Bond se utiliza a menudo en forma de índice de trabajo de Bond. Para ello se utilizan tamaños de grano característicos, como el paso del 80 % de la alimentación F₈₀ y del producto P₈₀. La ecuación de Bond habitual es
Es = 10 · Wi · (1 / √P80 − 1 / √F80)
- F80: tamaño de grano en el que el 80 % de la alimentación es más fino
- P80: tamaño de grano en el que el 80 % del producto es más fino
- Es en kWh/t
- Wi = índice de trabajo de Bond (constante específica del material)
- F80, P80 en µm
Sin embargo, los polvos nanofinos también pueden tener efectos indeseables. El desgaste de los neumáticos o las micropartículas de plástico pueden contaminar el aire que respiramos y el agua potable. Los mecanismos de defensa del organismo solo pueden defenderse de forma limitada contra las sustancias extrañas cuando estas se presentan en forma de nanopartículas o nanoestructuras.