나노분산
나노분산은 고체 입자가 주로 나노미터 범위에서 존재하는 상태를 의미합니다. 대부분의 기술적 벌크 재료는 미세분산 상태입니다. 이는 입자 크기가 일반적으로 몇 마이크로미터 범위임을 의미합니다. 1마이크로미터는 100만분의 1미터에 해당하며 10⁻⁶ m로 표기됩니다. 비교를 위해, 인간의 머리카락은 평균 직경이 약 60 마이크로미터입니다.
마이크로미터 크기의 입자를 가진 분말은 일반적으로 취급이 용이합니다. 이 분말은 이송, 혼합, 충전, 배출 및 대부분의 경우 신뢰할 수 있는 계량이 가능합니다. 입자 간에 작용하는 힘에 비해 중력이 우세합니다.
입자 크기가 약 1000배 감소하면 나노 분산 분말이 됩니다. 이때 특징적인 입자 크기는 100 나노미터 미만입니다. 이 크기 범위에서는 물리적 특성이 근본적으로 변화합니다. 유동성이 크게 감소합니다. 나노 분산 분말은 유동성이 나쁘고 계량이 어렵습니다. 건조한 상태에서도 종종 끈적거리는 특성을 보입니다.
이는 입자 간 힘이 크게 증가하기 때문입니다. 반 데르 발스 힘, 정전기적 상호작용 및 모세관 현상이 개별 입자의 중력보다 우세합니다. 구형 입자의 경우, 중력 FG 는 입자 직경 d 의 세제곱에 비례하여 증가하는 반면, 인력 표면력 FA는 대략 입자 직경에 비례합니다. 이를 간단히 설명하면 다음과 같습니다:
FG ∝ d³ 및 FA ∝ d
혼합 공정에서는 기계적 에너지가 주로 접착력과 응집력을 극복하는 데 사용되어야 함을 의미합니다. 응집체 분해에 필요한 전단 또는 충격 에너지는 입자 크기가 작아질수록 현저히 증가합니다. 중력이 지배적인 전통적인 혼합 메커니즘은 효과가 떨어집니다. 대신 전단장, 국부적 압력 피크 및 벽 접촉이 혼합 공정을 결정합니다.
나노 입자는 서로 및 장비 표면에 강하게 부착됩니다. 이들은 응집 경향이 매우 큽니다. 응집체 형성은 접촉을 통해 자유 표면 에너지가 감소하기 때문에 에너지적으로 유리합니다. 추진력은 표면 에너지를 통해 설명할 수 있습니다:
ΔE ≈ γ·ΔA
γ는 비표면 에너지, ΔA는 응집 시 감소된 표면적입니다.
먼지 제거 및 분리 공정에서는 중력의 낮은 침강 효과가 결정적입니다. 개별 입자의 침강 속도는 대략 스토크스 법칙을 따르며 입자 직경의 제곱에 비례합니다. 나노 입자의 경우 침강 속도가 극히 낮습니다. 열 운동과 공기 흐름이 지배적입니다. 따라서 분리 메커니즘은 중력보다는 확산, 정전기 또는 여과에 더 기반합니다.
나노 분산 입자는 공기 중에 매우 오랫동안 부유 상태를 유지할 수 있습니다. 아주 미세한 공기 움직임만으로도 다시 휘저어지고 먼지가 생성됩니다. 이는 격리, 환기 및 먼지 제거 시스템에 높은 요구 사항을 부과합니다. 많은 나노 분산 먼지는 폐로 유입될 수 있습니다. 폐포까지 침투할 수 있으므로 잠재적으로 건강에 해롭다고 간주됩니다. 이에 따라 작업 및 폭발 방지에 대한 요구 사항도 매우 높습니다.
고형물이 나노 분산 형태로 존재할 경우, 그 물리적 및 기계적 특성은 거시적 물질과 현저히 다를 수 있습니다. 나노 입자로 만들어진 세라믹 재료는 예를 들어, 거친 입자의 세라믹에서는 관찰되지 않는 높은 인성 또는 가시적인 연성 특성을 보일 수 있습니다. 나노 분산 물질은 전기 공학, 화학, 항공우주 및 공학 세라믹을 위한 고성능 재료 개발을 가능하게 합니다. 입자 크기, 계면 및 조직 구조를 통해 기능적 특성을 선택적으로 조정할 수 있습니다.
나노 분산 분말은 극히 큰 비표면적 As를 가집니다. 구형 입자의 경우, 이는 대략 입자 직경 d 및 고체 밀도 ρ에 반비례합니다.
As ≈ 6 / (ρ·d)
이 공식은 다음과 같은 가정 하에 유효한 근사값입니다: 구형 입자, 매끄럽고 비다공성 표면, 좁은 입자 크기 분포, 응집체가 아닌 1차 입자. 큰 표면적은 높은 반응성, 증가된 가연성, 극단적인 경우 분진 폭발 가능성으로 이어집니다. 나노 분산 분말을 액체에 분산시키는 것은 특히 까다롭습니다. 강한 입자 간 인력으로 인해 나노 입자는 대부분 응집체 형태로 존재합니다. 응집체 없는 분산을 위해서는 이러한 힘을 완전히 극복해야 합니다. 필요한 분산 에너지는 높으며, 비표면적이 증가함에 따라 더욱 커집니다. 또한, 정전기적 반발이나 입체적 방해와 같은 안정화 메커니즘이 작용하지 않는 한, 액체에 새로 분리한 나노 입자는 즉시 재응집되는 경향이 있습니다. 따라서 지속적으로 안정적이고 응집체가 없는 분산을 위해서는 대부분 집중적인 기계적 에너지 투입, 적절한 분산 보조제 또는 입자의 표면 개질이 필요합니다.