Quali sistemi di miscelazione supportano la dispersione di agglomerati nelle polveri ceramiche prima del processo di formatura?
La disagglomerazione delle polveri ceramiche è una fase importante prima del processo di formatura. Gli agglomerati morbidi possono formarsi per forze di Van der Waals, umidità, interazioni elettrostatiche o bagnatura incompleta. Se permangono nel sistema, possono causare disomogeneità, pori, gradienti di densità o difetti nel corpo verde e sinterizzato. Gli aggregati duri, già formatisi durante la sintesi o la calcinazione, non possono invece sempre essere sciolti senza una indesiderata frantumazione delle particelle primarie.
La tecnica idonea dipende dal fatto che il materiale ceramico venga lavorato come barbottina a bassa viscosità, come sospensione ad alta concentrazione, come massa plastica o come polvere secca. Altrettanto decisivi sono la resistenza degli agglomerati, il contenuto di solidi, la granulometria obiettivo, l'abrasione estranea ammissibile e i requisiti del successivo processo di formatura. Una disagglomerazione completa non è in ogni caso l'obiettivo: nei granulati di pressatura essiccati a spruzzo può essere espressamente desiderata una struttura granulare definita. In tal caso si tratta soprattutto di rimuovere particelle grossolane disturbanti o agglomerati duri, senza distruggere inutilmente la struttura granulare adatta alla pressatura.
Per le barbottine e gli smalti a viscosità da bassa a media vengono spesso impiegati sistemi rotore-statore. Il rotore accelera la sospensione, mentre il materiale viene condotto attraverso lo stretto traferro verso lo statore. Ne risultano elevate forze di taglio locali e turbolenze, che favoriscono bagnatura, incorporazione e dissoluzione degli agglomerati morbidi. I miscelatori rotore-statore sono adatti in particolare come fase discontinua o inline rapida, quando si deve introdurre una polvere in un liquido e distribuirla in modo uniforme. Il loro effetto dipende tuttavia da geometria del traferro, velocità di giro, numero di ricircoli, contenuto di solidi e disperdente. Con agglomerati molto duri o quando è richiesta una distribuzione granulometrica fine e stretta, spesso non sono sufficienti da soli.
I mulini a sfere agitate, i mulini a perle e gli attritori sono tra i sistemi più efficaci per la dispersione fine e ultrafine delle sospensioni ceramiche. I corpi macinanti in materiali resistenti all'usura trasmettono agli agglomerati forze di urto, taglio e attrito. In questo modo possono essere ridotti in modo significativo anche gli agglomerati più resistenti. Tali sistemi vengono impiegati, ad esempio, per sospensioni di allumina, ossido di zirconio, carburo di silicio o altre ceramiche ad alte prestazioni, quando è richiesta una distribuzione molto omogenea di particelle fini. Il materiale dei corpi macinanti deve essere adattato alla ceramica, poiché l'abrasione del mezzo macinante può causare contaminazione. Allo stesso modo il tempo di macinazione deve essere limitato e monitorato, affinché non vengano inutilmente danneggiate le particelle primarie, non si inneschino indesiderate variazioni di fase o non si generino troppe frazioni fini. Studi sulle nanoparticelle di biossido di titanio mostrano, ad esempio, che sia i mulini a corpi macinanti sia gli ultrasuoni possono essere impiegati per la disagglomerazione, ma il loro effetto dipende fortemente da granulometria e contenuto di solidi.
Per le masse ceramiche ad alta viscosità e i feedstock, ad esempio nello stampaggio a iniezione ceramico, entrano in considerazione miscelatori planetari, miscelatori doppio-planetari o impastatrici. Combinano una miscelazione a grande volume con un'elevata sollecitazione locale di taglio e impastamento. In questo modo legante, plastificante e polveri ceramiche possono essere distribuiti in modo uniforme e gli agglomerati di polvere presenti possono essere disgregati. Per polveri fini e soggette ad agglomerazione, nella produzione di feedstock ceramici vengono spesso impiegati processi discontinui con miscelatori planetari o impastatrici a Z. Una distribuzione uniforme del legante è essenziale, poiché può influenzare il comportamento di scorrimento del feedstock e il comportamento di ritiro dopo la sinterizzazione.
I miscelatori intensivi secondo il principio in controcorrente possono essere adatti per masse ceramiche secche, umide o plastiche. Un recipiente di miscelazione rotante e un utensile di miscelazione azionato separatamente generano movimenti relativi con componenti di urto, attrito e taglio. In questo modo è possibile incorporare i componenti, distribuire umidità o legante e rompere agglomerati morbidi. Con i granulati essiccati a spruzzo per la pressatura a secco è tuttavia necessaria cautela: un'intensità troppo elevata può distruggere la struttura granulare deliberatamente generata, aumentare la frazione fine e quindi alterare il comportamento di riempimento e pressatura. In tali applicazioni intensità di miscelazione e tempo di permanenza devono essere limitati al condizionamento del prodotto effettivamente necessario.
I mulini a getto possono ridurre ulteriormente le polveri secche mediante collisioni particella-particella e particella-superficie d'urto, oppure sciogliere agglomerati. Sono adatti in particolare quando non deve essere impiegato alcun liquido ed è necessaria una distribuzione granulometrica stretta. I mulini a getto sono tuttavia principalmente aggregati di frantumazione e non semplici miscelatori. Possono quindi anche alterare particelle primarie o granulati di pressatura desiderati. Il loro impiego è sensato soprattutto per polveri primarie secche, ma non senza ulteriori considerazioni per granulati di pressatura già trattati.
Gli ultrasuoni possono favorire la ridispersione nelle sospensioni ceramiche fini e nelle nanopolveri. La cavitazione genera localmente forze elevate, che possono rompere agglomerati secondari morbidi. Questa tecnica viene impiegata soprattutto in laboratorio, con lotti più piccoli o come fase inline a valle. L'effetto ottenibile dipende fortemente da geometria della sonotrodo, potenza, durata del trattamento, contenuto di solidi, temperatura e stabilizzazione chimica della sospensione. Un trattamento a ultrasuoni troppo lungo o troppo intenso non è automaticamente vantaggioso, poiché le particelle possono riagglomerarsi o la sospensione può riscaldarsi in modo indesiderato. Per l'ossido di zirconio e altre nanopolveri di ossidi, gli ultrasuoni sono stati descritti come un metodo efficace per ridurre le dimensioni delle particelle secondarie.
La sollecitazione meccanica da sola non garantisce ancora una dispersione stabile e duratura. Gli agenti disperdenti abbassano la tensione interfacciale, migliorano la bagnatura e possono limitare la riagglomerazione mediante stabilizzazione elettrostatica o sterica. La scelta del disperdente, del pH, della forza ionica e della sequenza di aggiunta è almeno altrettanto importante quanto la scelta dell'aggregato di miscelazione o macinazione. Per sospensioni ceramiche stabili, questi parametri chimici devono essere armonizzati con il contenuto di solidi, la superficie delle particelle e il successivo processo di formatura. Per le sospensioni di ossido di zirconio e allumina, la stabilizzazione viene ad esempio spesso ottenuta tramite polielettroliti adsorbiti e una regolazione mirata delle interazioni tra le particelle.
Il controllo di processo non dovrebbe basarsi solo su tempo di miscelazione o potenza del motore. Caratteristiche di qualità sensate sono la distribuzione granulometrica, la quota di agglomerati grossolani, la viscosità ovvero la curva di flusso, il comportamento di sedimentazione, il potenziale zeta nei sistemi colloidali, la densità del corpo verde e il tasso di difetti dopo la sinterizzazione. Solo la combinazione di chimica di dispersione idonea, apporto energetico adeguato e verifica analitica mostra se il trattamento desiderato è stato effettivamente raggiunto.
Così amixon® supporta la disagglomerazione delle polveri ceramiche
Nel trattamento ceramico gli agglomerati devono essere trattati in modo mirato. Occorre distinguere tra agglomerati morbidi, formatisi per stoccaggio, umidità o bagnatura incompleta, e aggregati duri. Gli agglomerati morbidi possono spesso essere sciolti con un apporto energetico meccanico dosato. Gli aggregati duri richiedono eventualmente un trattamento più intensivo o un procedimento di macinazione separato. Allo stesso tempo una struttura granulare desiderata, ad esempio nei granulati di pressatura essiccati a spruzzo, non deve essere inutilmente distrutta.
amixon® separa quindi i compiti di omogeneizzazione e disagglomerazione. L'organo di miscelazione a elica SinConvex® o SinConcave® si occupa del rimescolamento tridimensionale e dell'omogeneizzazione macroscopica dell'intero lotto. La velocità periferica e la durata di miscelazione vengono impostate in modo specifico per il prodotto, per limitare l'apporto energetico e preservare il più possibile la struttura granulare. Un'esclusione completa di riscaldamento o sollecitazione delle particelle non può essere garantita in generale; entrambe le grandezze devono essere determinate e monitorate per la specifica polvere ceramica.
Se è necessaria una disagglomerazione mirata, possono essere impiegati rotori di taglio azionati separatamente. Questi lavorano localmente in una zona di lavorazione limitata e generano lì sollecitazioni di taglio, urto e attrito. La loro velocità di giro, dotazione e durata di impiego possono essere regolate indipendentemente dalla velocità di giro dell'organo di miscelazione principale. Il processo può così essere condotto da una dissoluzione delicata di agglomerati morbidi fino a una disagglomerazione più intensiva. Se gli agglomerati duri possano essere sciolti senza alterazione delle particelle primarie dipende da materiale, contenuto di solidi, umidità, resistenza dell'agglomerato e granulometria obiettivo. amixon® descrive i rotori di taglio come una caratteristica d'equipaggiamento che può essere impiegata, tra l'altro, per la distribuzione fine e per la rottura di grumi fino alle particelle primarie.
Se una struttura di agglomerati o di granulato esistente deve essere deliberatamente preservata, si rinuncia ai rotori di taglio o il loro impiego viene ridotto al minimo. In tal caso sono in primo piano una bassa intensità di miscelazione, una geometria dell'utensile delicata e un tempo di miscelazione adattato. Per polveri e granulati sensibili sono adatti, a seconda della dimensione del lotto, ad esempio miscelatori verticali a un albero, miscelatori conici nonché il miscelatore KoneSlid®. Per lotti di grande volume di masse ceramiche può essere impiegato il miscelatore Gyraton®. amixon® indica per il miscelatore Gyraton® dimensioni di lotto tipiche da circa 10 a 100 m³.
Le polveri ceramiche possono essere fortemente abrasive. Per questo amixon® offre, a seconda dell'applicazione, esecuzioni protette dall'usura. Ne fanno parte materiali di base resistenti all'usura, riporti duri saldati con carburi di tungsteno o di cromo, elementi di protezione sostituibili, rivestimenti ceramici nonché piastre in metallo duro o ceramica ad alte prestazioni. L'esecuzione idonea dipende da durezza, granulometria, portata, intensità di miscelazione e contaminazione ammissibile del prodotto ceramico. Proprio con le ceramiche tecniche ad alta purezza va verificato se materiali, rivestimenti e possibile abrasione siano compatibili con la specifica di prodotto richiesta.
Un trattamento a umido è per amixon® rilevante soprattutto quando alla bagnatura, al trattamento o alla reazione segue una fase di essiccazione. A tale scopo possono essere impiegati essiccatori-miscelatori sottovuoto e reattori di miscelazione, ad esempio delle serie VMT o AMT. Questi apparecchi lavorano polveri, sospensioni, paste e impasti e combinano una miscelazione tridimensionale con termoregolazione e vuoto. I rotori di taglio possono favorire la disagglomerazione durante l'essiccazione e influenzare così lo scambio di calore e materia. Non sostituiscono tuttavia in linea di principio una macinazione a umido o un mulino a sfere agitate, quando è richiesta una dispersione fine strettamente definita fino al campo submicronico.
Prima del dimensionamento si raccomanda una prova con il prodotto originale. Nel centro prove si possono variare utensile di miscelazione, rotore di taglio, velocità di giro, tempo di lavorazione, grado di riempimento ed eventualmente la conduzione della temperatura o del vuoto. La valutazione dovrebbe comprendere, oltre alla qualità di miscelazione, anche la distribuzione granulometrica prima e dopo il trattamento, la quota di agglomerati grossolani, l'abrasione, la scorrevolezza, la densità del corpo verde nonché gli effetti sul successivo processo di formatura e sinterizzazione. In questo modo si può stabilire se la disagglomerazione sia sufficiente, senza alterare eccessivamente la struttura granulare o particellare desiderata.