Płyn nanodyspersyjny

Płyn nanodyspersyjny

Płyn nanodyspersyjny to układ heterogeniczny, w którym cząstki stałe o charakterystycznych wymiarach rzędu nanometrów są drobno rozproszone w ciągłej fazie ciekłej. W idealnym przypadku cząstki występują jako pojedyncze cząstki pierwotne. W takim przypadku mówi się o nanodyspersji bez aglomeratów. Produkcja nanodyspersyjnych cieczy jest wymagająca pod względem energetycznym i technologicznym. Nanocząstki mają bardzo dużą powierzchnię właściwą, a tym samym wysoką energię swobodną powierzchni. Prowadzi to do silnych sił przyciągania międzycząsteczkowego, w szczególności sił Van der Waalsa. Siły te sprzyjają aglomeracji i muszą zostać całkowicie pokonane podczas procesu dyspersji.

Wymagana energia dezagregacji jest bezpośrednio związana z nową powierzchnią, która ma zostać wytworzona. Minimalny nakład energii można w przybliżeniu opisać za pomocą energii powierzchniowej:

E ≈ γ · ΔA

W tym przypadku γ jest energią powierzchniową substancji stałej, a ΔA jest nową powierzchnią powstającą podczas rozbijania aglomeratów. Ponieważ ΔA znacznie wzrasta wraz ze spadkiem wielkości cząstek, zapotrzebowanie na energię dla systemów nanodyspersyjnych rośnie ponadproporcjonalnie.

W rzeczywistych procesach lokalnie dostarczana energia mechaniczna musi być większa niż energia wiązania aglomeratów. Decydujące znaczenie ma nie tylko energia całkowita, ale także gęstość mocy i energii w przestrzeni dyspersyjnej. Skuteczna dezagregacja wymaga wysokich lokalnych prędkości ścinania, energii uderzenia lub naprężeń indukowanych ciśnieniem, takich jak te występujące na przykład w urządzeniach do wysokiego ścinania, mielenia lub kawitacji.

Powietrze otoczenia stanowi istotną wielkość zakłócającą podczas dyspersji nanoproszków w cieczach. Podczas wprowadzania proszku wprowadzane jest powietrze, które jako faza gazowa tworzy dodatkowe powierzchnie graniczne. Nanocząsteczki adsorbują się preferencyjnie na powierzchniach granicznych gaz-ciecz, ponieważ jest to korzystne energetycznie. Sprzyja to tworzeniu stabilnych aglomeratów i utrudnia całkowite zwilżenie cząstek. Efekt ten jest szczególnie wyraźny w przypadku cieczy o wysokiej lepkości, ponieważ uwięzione pęcherzyki powietrza uciekają powoli, a efektywne przenoszenie ścinania jest lokalnie ograniczone.

Oprócz dezagregacji decydujące znaczenie ma stabilność dyspersji. Ciecze nanodyspersyjne są niestabilne termodynamicznie, ale można je stabilizować kinetycznie. Bez stabilizacji nanocząsteczki mają tendencję do reaglomeracji ze względu na wysoką energię powierzchniową. Stabilność opisuje się zazwyczaj za pomocą odpychania elektrostatycznego, na przykład w ramach teorii DLVO, lub poprzez przeszkody steryczne za pomocą dodatków polimerowych lub molekularnych.

Sedimentacja nanodyspersyjnych cząstek jest znacznie ograniczona. Prędkość opadania jest w przybliżeniu zgodna z prawem Stokesa i jest proporcjonalna do kwadratu średnicy cząstki. W przypadku nanocząstek sedimentacja jest często nakładana przez ruch Browna lub całkowicie kompensowana. W wielu przypadkach nanodyspersyjne ciecze są zatem stabilne sedymentacyjnie przez długi czas, o ile nie dochodzi do aglomeracji.