표면적 증가
표면적 증대는 벌크 물질 및 분말의 맥락에서 고체 물질의 분쇄를 의미합니다. 분쇄를 통해 거친 고체 물질이 다수의 작은 입자로 변환됩니다. 입자 크기가 감소함에 따라 고체 물질의 질량에 대한 자유롭게 접근 가능한 표면인 비표면적이 증가합니다.
분쇄는 건식 또는 습식으로 진행될 수 있습니다. 건식 분쇄는 액체 매체 없이 작업합니다. 습식 분쇄에서는 입자가 액체에 현탁됩니다. 분쇄 공정의 선택은 재료, 목표 입도 및 공정 기술적 제약 조건에 따라 달라집니다.
고체 분쇄를 위한 다양한 기계 유형이 있습니다. 여기에는 덩어리 분쇄기, 충격식 턱 분쇄기, 롤러 밀, 마찰 분쇄기, 해머 밀, 공기 분쇄기, 롤러 밀, 볼 밀, 교반식 볼 밀, 진동 밀, 핀 밀, 절단 밀, 디스크 밀, 행성 볼 밀, 응집 해체기 및 선별 밀이 포함됩니다. 이 공정들은 압력, 충격, 충돌, 전단 또는 마찰과 같은 힘의 작용 방식에 따라 다릅니다.
고체 분쇄의 특별한 형태는 응축입니다. 이 과정에서 금속 용융물의 증기나 에어로졸을 급속히 냉각시켜 고체 나노 입자를 생성합니다. 가스 분무 등을 통한 금속 용융물의 분사 역시 표면적 확대 방법 중 하나입니다. 이러한 공정은 정의된 입자 크기의 금속 분말 제조에 사용됩니다. 또 다른 방법은 열분해로, 이를 통해 나노 구조의 흑색 안료가 생산됩니다.
생성되는 입자의 기하학적 구조는 원료와 분쇄 메커니즘 모두에 따라 달라집니다. 입자는 거의 구형일 수 있습니다. 불규칙하거나 각진, 날카롭거나 파편 모양일 수도 있습니다. 결정질 고체는 종종 면이 있는 결정과 유사한 형태를 보입니다. 이러한 특성은 분말의 유동성, 겉보기 밀도, 혼합성 및 반응성에 영향을 미칩니다.
표면적이 증가함에 따라 입자 크기가 작아질수록 고체의 효과는 높아집니다. 이는 특히 색소 안료에서 명확하게 관찰됩니다. 아주 소량의 미세하게 분쇄된 안료만으로도 대량의 분말, 플라스틱 또는 섬유를 강렬하게 착색할 수 있습니다. 착색 효과는 안료 입자의 자유 표면적에 직접적으로 의존합니다.
입자가 미세해질수록 입자 간 접착력은 증가합니다. 따라서 매우 미세한 분말은 응집 경향이 강합니다. 고성능 및 엔지니어링 세라믹에서 생산된 나노급 건조 세라믹 분말은 미리 습윤 처리된 거친 분말과 유사한 점착성을 보일 수 있습니다. 이러한 입자들이 서로 상대적으로 움직이기 시작하면 응집체가 형성됩니다. 이 응집체가 나노 미세 1차 입자로 구성되어 있다면 매우 높은 기계적 강도를 나타낼 수 있습니다.
이러한 응집체는 amixon®사의 고성능 혼합기를 사용하여 효과적으로 분해할 수 있으며, 특히 나노 분말을 다른 분말 성분과 동시에 균일하게 혼합해야 하는 경우에 유용합니다. 또는 분쇄 설비, 예를 들어 공기 분쇄기에서 분해하는 방법도 있습니다.
분쇄와 표면적 증가 사이의 관계는 기하학적으로 설명할 수 있습니다. 출발점은 모서리 길이 L의 규칙적인 직육면체입니다. 그 부피는 L³이고, 표면적은 6·L²입니다. 분쇄 단계에서 직육면체를 세 방향 모두에서 반으로 나누면 모서리 길이 L/2의 동일한 크기의 직육면체 8개가 생성됩니다.
n번의 분쇄 단계 후 입자 수는 다음과 같이 계산됩니다.
N(n) = 8ⁿ
단일 입자의 표면적은 다음과 같습니다.
A₁(n) = 6·(L/2ⁿ)²
모든 입자의 총 표면적은 다음과 같습니다.
A₍ges₎(n) = N(n) · A₁(n) = 6·L²·2ⁿ
따라서 입자 수는 분쇄 단계 수에 따라 기하급수적으로 증가합니다. 총 표면적도 지수적으로 증가하지만, 증가율은 더 낮습니다. 따라서 그래픽 표현을 위해서는 종축을 로그 스케일로 표시하는 것이 유용합니다.
이러한 기하학적 및 에너지적 고려 사항은 분쇄 과정이 분말의 물리적 및 화학적 특성을 얼마나 크게 변화시키는지 보여줍니다. 의약품 성분은 생물학적 시스템과 더 잘 상호작용할 수 있습니다. 초미세 분말을 소결하여 전기화학, 고온 기술, 초전도, 광전자공학, 센서 기술, 통신 기술 또는 에너지 생산과 같은 응용 분야를 위한 새로운 고성능 재료가 탄생합니다.
분쇄에 필요한 에너지 소비량은 E 매우 높습니다. 이는 분쇄 정도에 따라 달라집니다. 이러한 관계를 설명하기 위해 분쇄 기술 분야에서 세 가지 고전적인 에너지 법칙이 확립되었습니다.
리팅거 법칙은 에너지 요구량이 새로 형성된 표면적에 비례한다고 가정합니다. 이 법칙은 특히 미세 및 초미세 분쇄에 적합합니다. 특정 에너지 소모량은 다음과 같이 계산됩니다.
Eₛ = KR · (1/d₂ − 1/d₁)
- d1: 특성 초기 입자 크기, d2d_2d2: 최종 입자 크기 (예: d80 또는 d50)
- KR: 재료/공정 상수
킥 법칙은 분쇄 비율의 함수로서 에너지 소모량을 설명합니다. 이 법칙은 특히 거친 분쇄에 적합합니다. 입자의 기하학적 유사성이 가정됩니다. 특정 에너지 소모량은 다음과 같습니다.
Eₛ = KK · ln (d₁/d₂)
본드 법칙은 중간 분쇄도에 사용됩니다. 이 법칙은 두 접근법 사이의 실용적인 절충안을 제시하며 중간 분쇄 영역에서 자주 적용됩니다. 이 법칙은 에너지 요구량이 입자 크기의 제곱근과 관련이 있다는 점을 고려합니다. 특정 에너지 소모량은 다음과 같이 계산됩니다.
Eₛ = KB · (1/√d₂ − 1/√d₁)
- d1은 공급 재료의 특성 입자 크기입니다.
- d2는 분쇄 제품의 특성 입자 크기입니다.
산업 현장에서는 본드 법칙이 본드 작업 지수(Bond Work Index) 형태로 자주 사용됩니다. 이때 공급물 F₈₀ 및 제품 P₈₀의 80% 통과 입자 크기 같은 특성 입자 크기가 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 본드 방정식은 다음과 같습니다.
Es = 10 · Wi · (1 / √P80 − 1 / √F80)
- F80: 공급물의 80%가 더 미세한 입자 크기
- P80: 제품의 80%가 더 미세한 입자 크기
- Es (kWh/t)
- Wi = 본드 작업 지수 (재료별 상수)
- F80, P80 (µm)
그러나 나노 미세 분말은 원치 않는 영향을 미칠 수도 있습니다. 타이어 마모나 미세 플라스틱 입자는 호흡 공기와 식수에 오염을 초래할 수 있습니다. 인체의 자체 방어 기전은 나노 입자 또는 나노 구조 형태로 존재하는 이물질에 대해서는 제한적으로만 방어할 수 있습니다.