나노분산 액체

나노분산 액체는 나노미터 범위의 특징적인 크기를 가진 고체 입자가 연속적인 액상 내에 미세하게 분산된 이질계입니다. 이상적으로는 입자들이 개별적인 1차 입자로 존재합니다. 이 경우 응집체가 없는 나노분산이라고 합니다. 나노분산액의 제조는 에너지 및 공정 기술적으로 까다롭습니다. 나노입자는 매우 높은 비표면적을 가지므로 높은 자유 표면 에너지를 갖습니다. 이는 강한 입자 간 인력, 특히 반데르발스 힘을 유발합니다. 이러한 힘은 응집을 촉진하므로 분산 공정 중에 완전히 극복되어야 합니다.

필요한 응집 해체 에너지는 새로 생성되는 표면적과 직접적인 관련이 있습니다. 최소 에너지 소모량은 표면 에너지를 통해 대략적으로 설명할 수 있습니다:

E ≈ γ · ΔA

여기서 γ는 고체의 비표면 에너지이고, ΔA는 응집체를 분해할 때 새로 생성되는 표면적입니다. ΔA는 입자 크기가 작아질수록 크게 증가하므로, 나노 분산 시스템의 에너지 요구량은 비례 이상으로 증가합니다.

실제 공정에서는 국부적으로 투입되는 기계적 에너지가 응집체의 결합 에너지보다 커야 합니다. 이때 중요한 것은 총 에너지뿐만 아니라 분산 공간 내의 출력 및 에너지 밀도입니다. 효과적인 분산은 고전단률, 충격 에너지 또는 압력 유도 응력과 같은 높은 국부적 전단률을 요구하며, 이는 예를 들어 고전단, 분쇄 또는 캐비테이션 설비에서 발생합니다.

나노 분산 분말을 액체에 분산할 때 주변 공기는 중요한 방해 요인입니다. 분말 투입 시 공기가 유입되어 기상으로서 추가적인 계면을 생성합니다. 나노 입자는 에너지적으로 유리하기 때문에 기-액 계면에 우선적으로 흡착됩니다. 이는 안정적인 응집체 형성을 촉진하고 입자의 완전한 습윤을 방해합니다. 이 효과는 고점도 액체에서 특히 두드러지는데, 이는 포획된 기포가 천천히 빠져나가고 효과적인 전단 전달이 국부적으로 감소하기 때문입니다.

응집 해체 외에도 분산의 안정성이 결정적입니다. 나노 분산 액체는 열역학적으로 불안정하지만, 동역학적으로 안정화될 수 있습니다. 안정화되지 않은 상태에서는 나노 입자가 높은 표면 에너지로 인해 재응집되는 경향이 있습니다. 안정성은 일반적으로 DLVO 이론과 같은 정전기적 반발력이나 폴리머 또는 분자 첨가제를 통한 입체적 방해로 설명됩니다.

나노 분산 입자의 침전은 크게 감소합니다. 침강 속도는 대략 스토크스 법칙을 따르며 입자 직경의 제곱에 비례합니다. 나노 입자의 경우 침전은 종종 브라운 운동에 의해 가려지거나 완전히 상쇄됩니다. 따라서 많은 경우 나노 분산 액체는 응집이 발생하지 않는 한 장기간 침전 안정성을 유지합니다.