ナノ分散液体

ナノ分散液体は、ナノメートルサイズの固体粒子が連続的な液体相に細かく分散した不均一系です。理想的には、粒子は単一の第一次粒子として存在します。この場合、凝集のないナノ分散液と呼ばれます。ナノ分散液の製造は、エネルギー面およびプロセス技術面で難しい。ナノ粒子は、非常に高い比表面積を持ち、それにより高い自由表面エネルギーを持つ。これにより、粒子間の強い引力、特にファンデルワールス力が生じる。この力は凝集を促進するため、分散プロセス中に完全に克服しなければならない。

必要な解凝集エネルギーは、新たに生成される表面積と直接的な関係があります。最小限のエネルギー消費量は、表面エネルギーによっておおよそ説明することができます。

E ≈ γ · ΔA

ここで、γ は固体の比表面エネルギー、ΔA は凝集体の分解によって新たに生成される表面積です。ΔA は粒子サイズの減少とともに大幅に増加するため、ナノ分散システムのエネルギー需要は比例以上に増加します。

実際のプロセスでは、局所的に投入される機械的エネルギーは、凝集体の結合エネルギーよりも大きくなければなりません。ここで重要なのは、総エネルギーだけでなく、分散空間における出力密度とエネルギー密度です。効果的な解凝集には、高剪断速度、衝撃エネルギー、または高剪断装置、粉砕装置、キャビテーション装置などで発生する圧力による応力などが必要です。

ナノ分散粉末を液体に分散させる場合、周囲空気は重要な妨害要因となります。粉末を投入すると、気相として追加の界面を生成する空気が混入します。ナノ粒子は、エネルギー的に有利であるため、気液界面に優先的に吸着します。これにより、安定した凝集体の形成が促進され、粒子の完全な濡れが妨げられます。この影響は、高粘度の液体で特に顕著です。これは、閉じ込められた気泡がゆっくりとしか排出されず、効果的なせん断伝達が局所的に減少するためです。

凝集の解消に加えて、分散の安定性も非常に重要です。ナノ分散液は熱力学的に不安定ですが、動的に安定化することができます。安定化を行わない場合、ナノ粒子は表面エネルギーが高いため、再凝集する傾向があります。安定性は、通常、DLVO 理論などの静電反発力、あるいはポリマーや分子添加剤による立体障害によって説明されます。

ナノ分散粒子の沈降は大幅に減少します。沈降速度は、おおよそストークスの法則に従い、粒子直径の 2 乗に比例します。ナノ粒子では、沈降はブラウン運動によって覆い隠されたり、完全に相殺されたりすることがよくあります。したがって、多くの場合、凝集が発生しない限り、ナノ分散液は長期間にわたって沈降安定性を維持します。