Nanodyspersja

Nanodyspersja oznacza stan, w którym cząstki stałe występują głównie w zakresie nanometrów. Większość technicznych materiałów sypkich jest mikrodyspersyjna. Oznacza to, że wielkość ich cząstek wynosi zazwyczaj kilka mikrometrów. Mikrometr odpowiada jednej milionowej metra i zapisuje się go jako 10⁻⁶ m. Dla porównania, średnia średnica ludzkiego włosa wynosi około 60 mikrometrów.

Proszki o cząstkach wielkości mikrometrów są zazwyczaj łatwe w obróbce. Można je transportować, mieszać, rozlewać, wysypywać i zazwyczaj również niezawodnie dozować. Grawitacja dominuje w stosunku do sił działających między cząstkami.

Jeśli wielkość cząstek zmniejsza się około 1000-krotnie, mamy do czynienia z proszkiem nanodyspersyjnym. Charakterystyczne wymiary cząstek mieszczą się wówczas w zakresie poniżej 100 nanometrów. W tym zakresie wielkości właściwości fizyczne ulegają zasadniczej zmianie. Płynność ulega znacznemu zmniejszeniu. Proszki nanodyspersyjne są trudne do sypania i dozowania. Często wydają się lepkie, nawet gdy są suche.

Przyczyną tego jest silny wzrost sił międzycząsteczkowych. Siły Van der Waalsa, oddziaływania elektrostatyczne i efekty kapilarne dominują nad siłą ciężkości poszczególnych cząstek. W przypadku cząstek kulistych siła ciężkości F_G jest proporcjonalna do średnicy cząstki d podniesionej do potęgi trzeciej, podczas gdy siły przyciągania powierzchniowego F_A są w przybliżeniu proporcjonalne do średnicy cząstki. Można to opisać w uproszczeniu:

F_G ∝ d³ i F_A ∝ d

W przypadku procesów mieszania oznacza to, że energia mechaniczna musi być wykorzystana przede wszystkim do pokonania sił adhezyjnych i aglomeracyjnych. Energia ścinająca lub uderzeniowa wymagana do rozbicia aglomeratu znacznie wzrasta wraz ze spadkiem wielkości cząstek. Klasyczne mechanizmy mieszania zdominowane przez grawitację tracą na skuteczności. Zamiast tego proces mieszania determinują pola ścinające, lokalne szczyty ciśnienia i kontakty ze ściankami.

Nanocząsteczki silnie przylegają do siebie i do powierzchni urządzeń. Mają wyraźną tendencję do aglomeracji. Tworzenie aglomeratów jest energetycznie korzystne, ponieważ kontakt zmniejsza energię swobodną powierzchni. Siłę napędową można opisać za pomocą energii powierzchniowej:

ΔE ≈ γ·ΔA

γ jest energią powierzchniową właściwą, ΔA jest zmniejszoną powierzchnią podczas aglomeracji.

W procesach odpylania i separacji decydujące znaczenie ma niewielki wpływ sedymentacyjny grawitacji. Prędkość opadania poszczególnych cząstek jest w przybliżeniu zgodna z prawem Stokesa i jest proporcjonalna do kwadratu średnicy cząstek. W przypadku nanocząstek prędkość sedymentacji jest niezwykle mała. Dominują ruchy termiczne i przepływy powietrza. Mechanizmy separacji opierają się zatem w mniejszym stopniu na grawitacji, a w większym na dyfuzji, elektrostatyce lub filtracji.

Cząsteczki nanodyspersyjne mogą pozostawać w zawieszeniu w powietrzu przez bardzo długi czas. Nawet najmniejsze ruchy powietrza powodują ponowne zawirowanie i tworzenie się pyłu. Stawia to wysokie wymagania wobec systemów izolacji, wentylacji i odpylania. Wiele nanodyspersyjnych pyłów jest respirabilnych. Mogą one przedostawać się do pęcherzyków płucnych i dlatego są uważane za potencjalnie szkodliwe dla zdrowia. Odpowiednio wysokie są wymagania dotyczące bezpieczeństwa pracy i ochrony przed wybuchem.

Jeśli substancja stała występuje w postaci nanodyspersyjnej, jej właściwości fizyczne i mechaniczne mogą znacznie różnić się od właściwości materiału makroskopowego. Materiały ceramiczne z nanocząsteczek mogą na przykład wykazywać zwiększoną wytrzymałość lub pozornie plastyczne zachowanie, czego nie obserwuje się w przypadku ceramiki gruboziarnistej. Nanodyspersyjne produkty umożliwiają opracowywanie materiałów o wysokiej wydajności dla elektrotechniki, chemii, lotnictwa i kosmonautyki, a także dla ceramiki inżynieryjnej. Właściwości funkcjonalne można precyzyjnie regulować poprzez wielkość cząstek, powierzchnie graniczne i strukturę.

Proszki nanodyspersyjne mają wyjątkowo dużą powierzchnię właściwą A_s. W przypadku cząstek kulistych jest ona w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalna do średnicy cząstek d i gęstości ciała stałego ρ.

A_s ≈ 6 / (ρ·d)

Wzór ten jest przybliżeniem, które obowiązuje przy następujących założeniach: cząstki kuliste, gładkie, nieporowate powierzchnie, wąski rozkład wielkości cząstek, brak aglomeratów, tylko cząstki pierwotne. Duża powierzchnia powoduje wysoką reaktywność, zwiększoną palność, a w skrajnych przypadkach możliwość wybuchu pyłu. Dyspergowanie nanodyspersyjnych proszków w cieczach jest szczególnie trudne. Ze względu na silne siły przyciągania międzycząsteczkowego nanocząstki występują zazwyczaj w postaci aglomeratów. Aby uzyskać dyspersję bez aglomeratów, siły te muszą zostać całkowicie pokonane. Wymagana energia dyspergowania jest wysoka i rośnie wraz ze wzrostem powierzchni właściwej. Ponadto świeżo oddzielone nanocząstki w cieczach mają tendencję do natychmiastowej reagregacji, o ile nie działają żadne mechanizmy stabilizujące, takie jak odpychanie elektrostatyczne lub przeszkody steryczne. Trwała, stabilna dyspersja bez aglomeratów wymaga zatem zazwyczaj intensywnego dostarczania energii mechanicznej, odpowiednich środków wspomagających dyspersję lub celowej modyfikacji powierzchni cząstek.