Нанодисперсный

Нанодисперсный означает состояние, при котором твердые частицы преимущественно находятся в диапазоне нанометров. Большинство технических сыпучих материалов являются микродисперсными. Это означает, что размер их частиц обычно составляет несколько микрометров. Микрометр соответствует одной миллионной метра и записывается как 10⁻⁶ м. Для сравнения: средний диаметр волоса на голове человека составляет около 60 микрометров.

Порошки с частицами размером в микрометры, как правило, легко обрабатываются. Их можно транспортировать, смешивать, разфасовывать, высыпать и, в большинстве случаев, надежно дозировать. Сила тяжести доминирует по отношению к силам, действующим между частицами.

Если размер частиц уменьшается примерно в 1000 раз, то получается нанодисперсный порошок. Характерные размеры частиц тогда находятся в диапазоне менее 100 нанометров. В этом диапазоне размеров физические свойства кардинально меняются. Плотность значительно уменьшается. Нанодисперсные порошки плохо сыпучи и трудно дозируются. Они часто кажутся липкими, даже если они сухие.

Причиной этого является сильное увеличение межчастичных сил. Силы Ван-дер-Ваальса, электростатические взаимодействия и капиллярные эффекты доминируют над весом отдельных частиц. Для шаровидных частиц вес F_G пропорционален диаметру частицы d в третьей степени, в то время как притягивающие поверхностные силы F_A приблизительно пропорциональны диаметру частицы. Это можно описать упрощенно:

F_G ∝ d³ и F_A ∝ d

Для процессов смешивания это означает, что механическая энергия в первую очередь должна применяться для преодоления сил адгезии и агломерации. Энергия сдвига или удара, необходимая для разрушения агломератов, значительно увеличивается с уменьшением размера частиц. Классические механизмы смешивания, в которых доминирует гравитация, теряют свою эффективность. Вместо этого процесс смешивания определяют поля сдвига, локальные пики давления и контакты со стенками.

Наночастицы сильно прилипают друг к другу и к поверхностям аппаратов. Они имеют выраженную склонность к агломерации. Образование агломератов энергетически выгодно, поскольку при контакте снижается свободная поверхностная энергия. Движущая сила может быть описана с помощью поверхностной энергии:

ΔE ≈ γ·ΔA

γ — удельная поверхностная энергия, ΔA — уменьшенная поверхность при агломерации.

Для процессов удаления пыли и сепарации решающее значение имеет слабое осаждающее действие гравитации. Скорость оседания отдельных частиц приблизительно соответствует закону Стокса и пропорциональна квадрату диаметра частиц. У наночастиц скорость оседания чрезвычайно мала. Доминируют тепловое движение и воздушные потоки. Поэтому механизмы отделения основаны не столько на гравитации, сколько на диффузии, электростатике или фильтрации.

Нанодисперсные частицы могут очень долго оставаться во взвешенном состоянии в воздухе. Даже малейшие движения воздуха приводят к повторному взвешиванию и образованию пыли. Это предъявляет высокие требования к системам локализации, вентиляции и пылеудаления. Многие нанодисперсные пыли проникают в легкие. Они могут проникать в альвеолы и поэтому считаются потенциально вредными для здоровья. Соответственно высоки требования к охране труда и взрывозащите.

Если твердое вещество находится в нанодисперсной форме, его физические и механические свойства могут значительно отличаться от свойств макроскопического материала. Керамические материалы из наночастиц могут, например, демонстрировать повышенную вязкость или кажущуюся пластичность, что не наблюдается у крупнозернистых керамических материалов. Нанодисперсные вещества позволяют разрабатывать высокоэффективные материалы для электротехники, химии, авиации и космонавтики, а также для инженерной керамики. Функциональные свойства можно целенаправленно регулировать с помощью размера частиц, межфазных границ и структуры.

Нанодисперсные порошки обладают чрезвычайно большой удельной поверхностью A_s. Для шаровидных частиц она приблизительно обратно пропорциональна диаметру частиц d и плотности твердого вещества ρ.

A_s ≈ 6 / (ρ·d)

Формула является приблизительной и действительна при следующих допущениях: шаровидные частицы, гладкие, непористые поверхности, узкий диапазон размеров частиц, отсутствие агломератов, только первичные частицы. Большая поверхность приводит к высокой реакционной способности, повышенной горючести и, в крайних случаях, к взрывоопасности пыли. Диспергирование нанодисперсных порошков в жидкостях является особенно сложной задачей. Из-за сильных межчастичных сил притяжения наночастицы обычно присутствуют в виде агломератов. Для получения дисперсии без агломератов эти силы должны быть полностью преодолены. Необходимая энергия диспергирования высока и увеличивается с ростом удельной поверхности. Кроме того, свежеотделенные наночастицы в жидкостях имеют тенденцию к немедленной реакгломерации, если не действуют стабилизирующие механизмы, такие как электростатическое отталкивание или стерическое препятствие. Поэтому для получения устойчивой, не содержащей агломератов дисперсии обычно требуется интенсивное внесение механической энергии, подходящие диспергирующие добавки или целенаправленная модификация поверхности частиц.