Nanodispersión

La nanodispersión se refiere a un estado en el que las partículas sólidas se encuentran predominantemente en el rango nanométrico. La mayoría de los materiales técnicos a granel son microdispersos. Esto significa que el tamaño de sus partículas suele estar en el rango de unos pocos micrómetros. Un micrómetro equivale a una millonésima parte de un metro y se escribe como 10⁻⁶ m. A modo de comparación, un cabello humano tiene un diámetro medio de unos 60 micrómetros.

Los polvos con partículas de tamaño micrométrico suelen ser fáciles de manipular. Se pueden transportar, mezclar, envasar, verter y, en la mayoría de los casos, dosificar de forma fiable. La gravedad es dominante en relación con las fuerzas que actúan entre las partículas.

Si el tamaño de las partículas se reduce aproximadamente en un factor de 1000, se obtiene un polvo nanodisperso. Las dimensiones características de las partículas se encuentran entonces en el rango inferior a 100 nanómetros. En este rango de tamaños, las propiedades físicas cambian fundamentalmente. La fluidez disminuye considerablemente. Los polvos nanodispersos son difíciles de verter y dosificar. A menudo parecen pegajosos, incluso cuando están secos.

La causa de esto es el fuerte aumento de las fuerzas interparticulares. Las fuerzas de Van der Waals, las interacciones electrostáticas y los efectos capilares predominan sobre la fuerza gravitatoria de las partículas individuales. En el caso de las partículas esféricas, la fuerza gravitatoria F_G es proporcional al diámetro de la partícula d elevado al cubo, mientras que las fuerzas de atracción superficiales F_A son aproximadamente proporcionales al diámetro de la partícula. Esto se puede describir de forma simplificada:

F_G ∝ d³ y F_A ∝ d

Para los procesos de mezcla, esto significa que la energía mecánica debe aplicarse principalmente para superar las fuerzas de adhesión y aglomeración. La energía de cizallamiento o impacto necesaria para la desagregación de los aglomerados aumenta significativamente a medida que disminuye el tamaño de las partículas. Los mecanismos de mezcla clásicos dominados por la gravedad pierden eficacia. En su lugar, los campos de cizallamiento, los picos de presión locales y los contactos con las paredes determinan el proceso de mezcla.

Las nanopartículas se adhieren fuertemente entre sí y a las superficies de los aparatos. Tienen una marcada tendencia a la aglomeración. La formación de aglomerados se ve favorecida energéticamente, ya que el contacto reduce la energía superficial libre. La fuerza motriz se puede describir mediante la energía superficial:

ΔE ≈ γ·ΔA

γ es la energía superficial específica, ΔA es la superficie reducida durante la aglomeración.

Para los procesos de desempolvado y separación, el escaso efecto sedimentario de la gravedad es decisivo. La velocidad de caída de las partículas individuales sigue aproximadamente la ley de Stokes y es proporcional al cuadrado del diámetro de la partícula. En el caso de las nanopartículas, la velocidad de sedimentación es extremadamente baja. Predominan el movimiento térmico y las corrientes de aire. Por lo tanto, los mecanismos de separación se basan menos en la gravedad que en la difusión, la electrostática o la filtración.

Las partículas nanodispersas pueden permanecer suspendidas en el aire durante mucho tiempo. Incluso los movimientos de aire más pequeños provocan una nueva remoción y la formación de polvo. Esto plantea grandes exigencias a los sistemas de contención, ventilación y desempolvado. Muchos polvos nanodispersos son respirables. Pueden penetrar en los alvéolos y, por lo tanto, se consideran potencialmente nocivos para la salud. Los requisitos de protección laboral y contra explosiones son igualmente elevados.

Si un material se presenta en forma nanodispersa, su comportamiento físico y mecánico puede diferir significativamente del del material macroscópico. Los materiales cerámicos fabricados a partir de nanopartículas pueden, por ejemplo, presentar una mayor tenacidad o un comportamiento aparentemente dúctil que no se observa en las cerámicas de grano grueso. Los productos nanodispersos permiten el desarrollo de materiales de alto rendimiento para la ingeniería eléctrica, la química, la aeronáutica y la cerámica de ingeniería. Las propiedades funcionales pueden ajustarse de forma específica mediante el tamaño de las partículas, las interfaces y la estructura microcristalina.

Los polvos nanodispersos tienen una superficie específica extremadamente grande A_s. En el caso de las partículas esféricas, es aproximadamente inversamente proporcional al diámetro de la partícula d y a la densidad del sólido ρ.

A_s ≈ 6 / (ρ·d)

La fórmula es una aproximación que se aplica bajo los siguientes supuestos: partículas esféricas, superficies lisas y no porosas, distribución estrecha del tamaño de las partículas, sin aglomerados, sino partículas primarias. La gran superficie conduce a una alta reactividad, una mayor inflamabilidad y, en casos extremos, a la posibilidad de explosión de polvo. La dispersión de polvos nanodispersos en líquidos es especialmente difícil. Debido a las fuertes fuerzas de atracción interparticulares, las nanopartículas suelen presentarse en forma de aglomerados. Para obtener una dispersión sin aglomerados, estas fuerzas deben superarse por completo. La energía de dispersión necesaria es elevada y aumenta con el aumento de la superficie específica. Además, las nanopartículas recién separadas en líquidos tienden a reaglomerarse inmediatamente, a menos que actúen mecanismos estabilizadores como la repulsión electrostática o el impedimento estérico. Por lo tanto, una dispersión estable y duradera sin aglomerados suele requerir un aporte intensivo de energía mecánica, auxiliares de dispersión adecuados o una modificación específica de la superficie de las partículas.