表面積の拡大

バルク材料や粉末の文脈で、表面積の増加とは、固体物質を粉砕することを指します。粉砕により、粗い固体物質は多数の小さな粒子に変化します。粒子サイズが小さくなるにつれて、固体物質の質量に対する自由にアクセスできる表面積、つまり比表面積が増加します。

粉砕は、乾式または湿式で行うことができます。乾式粉砕では、液体媒体を使用せずに作業を行います。湿式粉砕では、粒子は液体に懸濁します。粉砕方法の選択は、材料、目標とする細かさ、およびプロセス技術的な制約条件によって異なります。

固体物質の粉砕には、さまざまなタイプの機械が利用できます。その中には、塊破砕機、衝撃式破砕機、ローラーミル、摩擦破砕機、ハンマーミル、エアジェットミル、ボールミル、攪拌式ボールミル、振動ミル、ピンミル、切断ミル、ディスクミル、遊星ボールミル、解砕機、選別ミルなどがあります。これらの方法は、圧力、衝撃、衝突、剪断、摩擦など、作用する力の種類によって異なります。

固体粉砕の特殊な形態として、凝縮があります。この方法では、溶融金属からの蒸気やエアロゾルを急速に冷却して、固体ナノ粒子を生成します。また、ガス噴霧などによる溶融金属の噴霧も、表面積を拡大する方法のひとつです。このような方法は、特定の粒子サイズの金属粉末を製造するために使用されます。もうひとつの方法は、熱分解で、この方法により、ナノ構造の黒色顔料が製造されます。

生成される粒子の形状は、原料と粉砕メカニズムの両方に依存します。粒子はほぼ球形である場合もあります。不規則、角ばった、鋭い、または破片のような形状の場合もあります。結晶性固体は、多くの場合、多面的な結晶のような形状をしています。これらの特性は、粉末の流動性、かさ密度、混和性、反応性に影響を与えます。

表面積の増加により、粒子サイズが小さくなるほど固体物質はより効果的になります。これは、顔料で特に顕著に見られます。ごく少量の微細に粉砕された顔料で、大量の粉末、プラスチック、または繊維を濃く着色することができます。発色効果は、顔料粒子の自由にアクセスできる表面積に直接依存します。

微細さが増すにつれて、粒子間の接着力が高まります。そのため、非常に微細な粉末は凝集しやすい傾向があります。高性能およびエンジニアリングセラミックから作られたナノレベルの微細な乾燥セラミック粉末は、あらかじめ湿らせた粗い粉末と同様に粘着性がある場合があります。このような粒子が互いに相対的に移動すると、凝集体が形成されます。これらがナノレベルの微細な一次粒子で構成されている場合、非常に高い機械的強度を持つことがあります。

このような凝集物は、amixon^® 社製の高性能ミキサーで効果的に分散させることができます。特に、ナノ粉末を他の粉末成分と同時に均質に混合する必要がある場合に有効です。あるいは、粉砕装置、例えばエアジェットミルでも分散が可能です。

粉砕と表面積の増加の関係は、幾何学的に説明することができます。出発点は、辺の長さが L の規則的な形状の直方体です。その体積は L³、表面積は 6·L² です。粉砕工程で直方体を 3 方向すべてで半分に分割すると、辺の長さが L/2 の 8 つの同じ大きさの直方体ができます。

n 回の粉砕工程を経て、粒子数は

N(n) = 8ⁿ

単一の粒子の表面積は

A₁(n) = 6·(L/2ⁿ)²

すべての粒子の総表面積は、以下のようになります。

A₍ges₎(n) = N(n) · A₁(n) = 6·L²·2ⁿ

したがって、粒子数は、粉砕ステップの数に応じて指数関数的に増加します。総表面積も指数関数的に増加しますが、その増加率はより緩やかです。したがって、グラフ表示には、縦軸を対数スケールで表示することが適切です。

これらの幾何学的およびエネルギー的考察は、粉砕プロセスが粉末の物理的および化学的特性をいかに大きく変化させるかを明らかにしています。医療用有効成分は、生物学的システムとよりよく相互作用することができます。微細な粉末を焼結することで、電気化学、高温技術、超伝導、オプトエレクトロニクス、センサー技術、通信技術、エネルギー生成などの用途向けの新しい高性能材料が生まれます。

しかし、ナノレベルの微細な粉末は、望ましくない影響をもたらす場合もあります。タイヤの摩耗やマイクロプラスチック粒子は、呼吸する空気や飲料水への汚染につながる可能性があります。ナノ粒子やナノ構造を持つ異物に対しては、体内の保護メカニズムが限られた防御しか行えないのです。