ナノ分散
ナノ分散とは、固体粒子が主にナノメートルサイズである状態を指します。ほとんどの工業用バルク材料はマイクロ分散です。つまり、その粒子サイズは通常、数マイクロメートルの範囲にあります。1マイクロメートルは100万分の1メートルに相当し、10⁻⁶ m と表記されます。比較のために言えば、人間の頭髪の平均直径は約 60 マイクロメートルです。
マイクロメートルサイズの粒子を持つ粉末は、通常、取り扱いが容易です。これらの粉末は、搬送、混合、充填、投入が可能であり、ほとんどの場合、確実に投与することができます。粒子間に作用する力に対して、重力が優勢です。
粒子サイズが約 1000 分の 1 に減少すると、それはナノ分散粉末となります。その場合の粒子サイズは 100 ナノメートル未満となります。このサイズ範囲では、物理的特性は根本的に変化します。流動性は大幅に低下します。ナノ分散粉末は、流動性が低く、投与が難しい。乾燥していても、しばしば粘着性があるように見える。
その原因は、粒子間の力が強く増加することにある。ファンデルワールス力、静電相互作用、毛細管現象が、個々の粒子の重量力よりも優勢になる。球形の粒子では、重量力 FG は粒子直径 d の 3 乗に比例して増加しますが、引力 FA は粒子直径にほぼ比例します。これは、次のように簡単に説明できます。
FG ∝ d³ および FA ∝ d
混合プロセスでは、これは、付着力や凝集力を克服するために、主に機械的エネルギーを適用しなければならないことを意味します。凝集物の分解に必要なせん断エネルギーまたは衝撃エネルギーは、粒子サイズが小さくなるにつれて大幅に増加します。従来の重力支配型の混合メカニズムは、その有効性を失います。その代わりに、せん断場、局所的な圧力ピーク、および壁との接触が混合プロセスを決定します。
ナノ粒子は、互いに、また装置の表面に強く付着します。それらは凝集する傾向が顕著です。接触によって自由表面エネルギーが減少するため、凝集の形成はエネルギー的に有利になります。この推進力は、表面エネルギーによって説明することができます。
ΔE ≈ γ·ΔA
γ は比表面エネルギー、ΔA は凝集時の表面積の減少量です。
除塵および分離プロセスでは、重力の沈降作用が極めて重要です。個々の粒子の沈降速度は、ストークスの法則にほぼ従い、粒子直径の 2 乗に比例します。ナノ粒子の沈降速度は極めて遅いです。熱運動と気流が支配的です。そのため、分離メカニズムは重力よりも、拡散、静電気、ろ過に基づいています。
ナノ分散粒子は、非常に長い間空気中に浮遊し続けることができます。ごくわずかな気流でも、再び舞い上がり、粉塵を形成します。これは、封じ込め、換気、および集塵システムに高い要求を課しています。多くのナノ分散粉塵は肺に侵入します。肺胞にまで到達する可能性があるため、健康被害をもたらす可能性があるとされています。そのため、労働安全および爆発防止に関する要求も非常に高くなっています。
固体物質がナノ分散形態である場合、その物理的および機械的挙動は、巨視的な物質とは大きく異なる場合があります。ナノ粒子からなるセラミック材料は、例えば、粗粒のセラミックでは見られない、高い靭性や延性のような挙動を示すことがあります。ナノ分散物質は、電気工学、化学、航空宇宙、およびエンジニアリングセラミック向けの、高性能材料の開発を可能にします。粒子サイズ、界面、組織構造を意図的に調整することで、機能特性を設定することができます。
ナノ分散粉末は、非常に大きな比表面積 As を有しています。球形の粒子の場合、比表面積は、粒子直径 d および固体密度 ρ にほぼ反比例します。
As ≈ 6 / (ρ·d)
この式は、球形の粒子、滑らかで非多孔質の表面、狭い粒子径分布、凝集物ではなく一次粒子という仮定のもとで有効な近似式です。表面積が大きいため、反応性が高く、可燃性が高くなり、極端な場合、粉塵爆発の可能性もあります。ナノ分散粉末の液体への分散は、特に難しい。粒子間の引力が強いため、ナノ粒子はほとんどの場合凝集して存在している。凝集のない分散を実現するには、この引力を完全に打ち消す必要がある。必要な分散エネルギーは高く、比表面積が大きくなるほど増加する。さらに、静電反発や立体障害などの安定化メカニズムが作用しない限り、液体中に分離されたばかりのナノ粒子はすぐに再凝集する傾向があります。したがって、永続的に安定した凝集のない分散には、ほとんどの場合、強力な機械的エネルギーの投入、適切な分散助剤、または粒子の表面を意図的に改質することが必要となります。