Nanodispers

Nanodispers désigne un état dans lequel les particules solides sont principalement présentes dans la gamme nanométrique. La plupart des produits techniques en vrac sont microdispersés. Cela signifie que la taille de leurs particules est généralement de l'ordre de quelques micromètres. Un micromètre correspond à un millionième de mètre et s'écrit 10⁻⁶ m. À titre de comparaison, un cheveu humain a un diamètre moyen d'environ 60 micromètres.

Les poudres dont les particules ont une taille de l'ordre du micromètre sont généralement faciles à manipuler. Elles peuvent être transportées, mélangées, conditionnées, versées et, dans la plupart des cas, dosées de manière fiable. La gravité est dominante par rapport aux forces agissant entre les particules.

Si la taille des particules est réduite d'un facteur 1000 environ, on obtient une poudre nanodispersée. Les dimensions caractéristiques des particules sont alors inférieures à 100 nanomètres. Dans cette gamme de tailles, les propriétés physiques changent fondamentalement. La fluidité diminue fortement. Les poudres nanodispersées sont difficiles à verser et à doser. Elles semblent souvent collantes, même lorsqu'elles sont sèches.

Cela s'explique par la forte augmentation des forces interparticulaires. Les forces de Van der Waals, les interactions électrostatiques et les effets capillaires dominent par rapport au poids des particules individuelles. Pour les particules sphériques, le poids F_G est proportionnel au diamètre d des particules élevé à la puissance trois, tandis que les forces d'attraction superficielles F_A sont approximativement proportionnelles au diamètre des particules. Cela peut être décrit de manière simplifiée :

F_G ∝ d³ et F_A ∝ d

Pour les processus de mélange, cela signifie que l'énergie mécanique doit être principalement utilisée pour surmonter les forces d'adhérence et d'agglomération. L'énergie de cisaillement ou d'impact nécessaire à la dégradation des agglomérats augmente considérablement à mesure que la taille des particules diminue. Les mécanismes de mélange classiques dominés par la gravité perdent de leur efficacité. Au lieu de cela, les champs de cisaillement, les pics de pression locaux et les contacts avec les parois déterminent le processus de mélange.

Les nanoparticules adhèrent fortement les unes aux autres et aux surfaces des appareils. Elles ont une forte tendance à s'agglomérer. La formation d'agglomérats est favorisée sur le plan énergétique, car le contact réduit l'énergie libre de surface. La force motrice peut être décrite par l'énergie de surface :

ΔE ≈ γ·ΔA

γ est l'énergie spécifique de surface, ΔA est la surface réduite lors de l'agglomération.

Pour les processus de dépoussiérage et de séparation, le faible effet sédimentaire de la gravité est déterminant. La vitesse de chute des particules individuelles suit approximativement la loi de Stokes et est proportionnelle au carré du diamètre des particules. Dans le cas des nanoparticules, la vitesse de sédimentation est extrêmement faible. Le mouvement thermique et les courants d'air dominent. Les mécanismes de séparation reposent donc moins sur la gravité que sur la diffusion, l'électrostatique ou la filtration.

Les particules nanodispersées peuvent rester en suspension dans l'air pendant très longtemps. Même les plus petits mouvements d'air entraînent une nouvelle turbulence et la formation de poussière. Cela impose des exigences élevées aux systèmes de confinement, de ventilation et de dépoussiérage. De nombreuses poussières nanodispersées sont respirables. Elles peuvent pénétrer dans les alvéoles pulmonaires et sont donc considérées comme potentiellement nocives pour la santé. Les exigences en matière de sécurité au travail et de protection contre les explosions sont donc très élevées.

Si une matière solide se présente sous forme nanodispersée, son comportement physique et mécanique peut différer considérablement de celui du matériau macroscopique. Les matériaux céramiques à base de nanoparticules peuvent, par exemple, présenter une ténacité accrue ou un comportement apparemment ductile qui n'est pas observé dans les céramiques à gros grains. Les produits nanodispersés permettent le développement de matériaux haute performance pour l'électrotechnique, la chimie, l'aéronautique et l'aérospatiale, ainsi que pour la céramique technique. Les propriétés fonctionnelles peuvent être ajustées de manière ciblée en fonction de la taille des particules, des interfaces et de la structure cristalline.

Les poudres nanodispersées ont une surface spécifique extrêmement grande A_s. Pour les particules sphériques, elle est approximativement inversement proportionnelle au diamètre des particules d et à la densité du solide ρ.

A_s ≈ 6 / (ρ·d)

La formule est une approximation qui s'applique dans les conditions suivantes : particules sphériques, surfaces lisses et non poreuses, distribution granulométrique étroite, absence d'agglomérats, mais particules primaires. La grande surface entraîne une réactivité élevée, une inflammabilité accrue et, dans les cas extrêmes, un risque d'explosion de poussière. La dispersion de poudres nanodispersées dans des liquides est particulièrement difficile. En raison des fortes forces d'attraction interparticulaires, les nanoparticules se présentent généralement sous forme d'agglomérats. Pour obtenir une dispersion sans agglomérats, ces forces doivent être complètement surmontées. L'énergie de dispersion nécessaire est élevée et augmente avec la surface spécifique. De plus, les nanoparticules fraîchement séparées dans les liquides ont tendance à se réagglomérer immédiatement, à moins que des mécanismes stabilisateurs tels que la répulsion électrostatique ou l'encombrement stérique n'agissent. Une dispersion stable et durable, sans agglomérats, nécessite donc généralement un apport d'énergie mécanique intense, des agents dispersants appropriés ou une modification ciblée de la surface des particules.