Liquide nanodispersé
Un liquide nanodispersé est un système hétérogène dans lequel des particules solides de dimensions caractéristiques de l'ordre du nanomètre sont finement réparties dans une phase liquide continue. Idéalement, les particules se présentent sous forme de particules primaires individuelles. Dans ce cas, on parle de nanodispersion sans agglomérats. La fabrication de liquides nanodispersés est exigeante sur le plan énergétique et technique. Les nanoparticules ont une surface spécifique très élevée et donc une énergie de surface libre élevée. Cela entraîne de fortes forces d'attraction interparticulaires, en particulier des forces de Van der Waals. Ces forces favorisent l'agglomération et doivent être complètement surmontées pendant le processus de dispersion.
L'énergie de désagglomération nécessaire est directement liée à la nouvelle surface à créer. L'énergie minimale nécessaire peut être décrite de manière approximative par l'énergie de surface :
E ≈ γ · ΔA
γ est l'énergie de surface spécifique du solide et ΔA la nouvelle surface créée lors de la rupture des agglomérats. Comme ΔA augmente fortement avec la diminution de la taille des particules, les besoins en énergie des systèmes nanodispersés augmentent de manière disproportionnée.
Dans les processus réels, l'énergie mécanique appliquée localement doit être supérieure à l'énergie de liaison des agglomérats. Ce n'est pas seulement l'énergie totale qui est déterminante, mais aussi la densité de puissance et d'énergie dans l'espace de dispersion. Une désagglomération efficace nécessite des taux de cisaillement locaux élevés, des énergies d'impact ou des contraintes induites par la pression, telles qu'elles se produisent par exemple dans les installations à haut cisaillement, de broyage ou de cavitation.
L'air ambiant constitue un facteur perturbateur important lors de la dispersion de poudres nanodispersées dans des liquides. Lors de l'introduction de la poudre, de l'air est entraîné, ce qui crée des interfaces supplémentaires sous forme de phase gazeuse. Les nanoparticules s'adsorbent de préférence aux interfaces gaz-liquide, car cela est avantageux sur le plan énergétique. Cela favorise la formation d'agglomérats stables et empêche le mouillage complet des particules. Cet effet est particulièrement prononcé dans les liquides à haute viscosité, car les bulles d'air emprisonnées ne s'échappent que lentement et le transfert de cisaillement effectif est réduit localement.
Outre la désagglomération, la stabilité de la dispersion est également déterminante. Les liquides nanodispersés sont thermodynamiquement instables, mais peuvent être stabilisés cinétiquement. Sans stabilisation, les nanoparticules ont tendance à se réagglomérer en raison de leur énergie de surface élevée. La stabilité est généralement décrite par la répulsion électrostatique, par exemple dans le cadre de la théorie DLVO, ou par l'encombrement stérique au moyen d'additifs polymères ou moléculaires.
La sédimentation des particules nanodispersées est fortement réduite. La vitesse de sédimentation suit approximativement la loi de Stokes et est proportionnelle au carré du diamètre des particules. Pour les nanoparticules, la sédimentation est souvent superposée ou complètement compensée par le mouvement brownien. Dans de nombreux cas, les liquides nanodispersés sont donc stables à la sédimentation pendant de longues périodes, tant qu'il n'y a pas d'agglomération.