Nanodispersione

Nanodispersione indica uno stato in cui le particelle solide sono prevalentemente nell'ordine dei nanometri. La maggior parte dei materiali tecnici sfusi sono microdispersi. Ciò significa che le dimensioni delle loro particelle sono tipicamente dell'ordine di alcuni micrometri. Un micrometro corrisponde a un milionesimo di metro e viene scritto come 10⁻⁶ m. A titolo di confronto, un capello umano ha un diametro medio di circa 60 micrometri.

Le polveri con particelle di dimensioni micrometriche sono generalmente facili da maneggiare. Possono essere trasportate, miscelate, riempite, versate e, nella maggior parte dei casi, dosate in modo affidabile. La gravità è dominante rispetto alle forze che agiscono tra le particelle.

Se la dimensione delle particelle si riduce di circa un fattore 1000, si ottiene una polvere nanodispersa. Le dimensioni caratteristiche delle particelle si trovano quindi nell'intervallo inferiore a 100 nanometri. In questo intervallo di dimensioni, le proprietà fisiche cambiano radicalmente. La fluidità diminuisce notevolmente. Le polveri nanodisperse sono difficili da versare e dosare. Spesso risultano appiccicose, anche se sono asciutte.

La causa di ciò è il forte aumento delle forze interparticellari. Le forze di Van der Waals, le interazioni elettrostatiche e gli effetti capillari prevalgono sul peso delle singole particelle. Per le particelle sferiche, il peso F_G è proporzionale al diametro della particella d elevato a tre, mentre le forze di attrazione superficiale F_A sono approssimativamente proporzionali al diametro della particella. Ciò può essere descritto in modo semplificato:

F_G ∝ d³ e F_A ∝ d

Per i processi di miscelazione ciò significa che l'energia meccanica deve essere applicata principalmente per superare le forze di adesione e agglomerazione. L'energia di taglio o di impatto necessaria per la disgregazione degli agglomerati aumenta notevolmente con la diminuzione delle dimensioni delle particelle. I classici meccanismi di miscelazione dominati dalla gravità perdono di efficacia. Al loro posto, il processo di miscelazione è determinato da campi di taglio, picchi di pressione locali e contatti con le pareti.

Le nanoparticelle aderiscono fortemente l'una all'altra e alle superfici degli apparecchi. Tendono fortemente all'agglomerazione. La formazione di agglomerati è favorita dal punto di vista energetico, poiché il contatto riduce l'energia superficiale libera. La forza motrice può essere descritta tramite l'energia superficiale:

ΔE ≈ γ·ΔA

γ è l'energia superficiale specifica, ΔA è la superficie ridotta durante l'agglomerazione.

Per i processi di depolverazione e separazione è determinante il basso effetto sedimentante della gravità. La velocità di caduta delle singole particelle segue approssimativamente la legge di Stokes ed è proporzionale al quadrato del diametro delle particelle. Nel caso delle nanoparticelle, la velocità di sedimentazione è estremamente bassa. Il movimento termico e i flussi d'aria sono predominanti. I meccanismi di separazione si basano quindi meno sulla gravità che sulla diffusione, l'elettrostatica o la filtrazione.

Le particelle nanodisperse possono rimanere sospese nell'aria per molto tempo. Anche i minimi movimenti d'aria provocano un nuovo sollevamento e la formazione di polvere. Ciò pone requisiti elevati ai sistemi di contenimento, ventilazione e depolverazione. Molte polveri nanodisperse sono respirabili. Possono penetrare negli alveoli e sono quindi considerate potenzialmente dannose per la salute. I requisiti in materia di sicurezza sul lavoro e protezione contro le esplosioni sono quindi molto elevati.

Se un materiale solido è presente in forma nanodispersa, il suo comportamento fisico e meccanico può differire notevolmente da quello del materiale macroscopico. I materiali ceramici costituiti da nanoparticelle possono, ad esempio, presentare una maggiore tenacità o un comportamento apparentemente duttile, che non si osserva nelle ceramiche a grana grossa. I prodotti nanodispersi consentono lo sviluppo di materiali ad alte prestazioni per l'elettrotecnica, la chimica, l'aerospaziale e l'ingegneria ceramica. Le proprietà funzionali possono essere regolate in modo mirato tramite la dimensione delle particelle, le interfacce e la struttura cristallina.

Le polveri nanodisperse hanno una superficie specifica estremamente ampia A_s. Per le particelle sferiche, essa è approssimativamente inversamente proporzionale al diametro delle particelle d e alla densità del solido ρ.

A_s ≈ 6 / (ρ·d)

La formula è un'approssimazione che vale nelle seguenti ipotesi: particelle sferiche, superfici lisce e non porose, distribuzione granulometrica ristretta, nessuna agglomerazione, ma particelle primarie. L'ampia superficie comporta un'elevata reattività, una maggiore infiammabilità e, in casi estremi, la possibilità di esplosioni di polveri. La dispersione di polveri nanodisperse in liquidi è particolarmente impegnativa. A causa delle forti forze di attrazione interparticellari, le nanoparticelle sono solitamente presenti sotto forma di agglomerati. Per ottenere una dispersione priva di agglomerati, queste forze devono essere completamente superate. L'energia di dispersione richiesta è elevata e aumenta con l'aumentare della superficie specifica. Inoltre, le nanoparticelle appena separate nei liquidi tendono immediatamente a reagglomerarsi, a meno che non agiscano meccanismi stabilizzanti come la repulsione elettrostatica o l'ostacolo sterico. Una dispersione stabile nel tempo e priva di agglomerati richiede quindi solitamente un intenso apporto di energia meccanica, adeguati coadiuvanti di dispersione o una modifica mirata della superficie delle particelle.