المساحيق فائقة الدقة هي مواد تتراوح أحجام جسيماتها بين الميكرومتر والنانومتر. ووفقًا للإجماع في صناعة معالجة المعادن الصينية، فإن المساحيق فائقة الدقة هي تلك التي تحتوي على 100% من الجسيمات التي يقل حجمها عن 30 ميكرومتر. تُستخدم المواد النانوية على نطاق واسع، وتتميز بخصائص فريدة تفتقر إليها المواد التقليدية، مثل تأثيرات الحجم الصغير، وتأثيرات النفق الكمي العياني، وتأثيرات السطح.
ومع ذلك، تتميز المواد النانوية بمساحة سطح نوعية عالية، ونشاط قوي، وهي غير مستقرة للغاية. تميل هذه المواد إلى التكتل بسهولة، فتفقد خصائصها الأصلية. وهذا يُقلل من قيمتها ويُعقّد كلاً من التحضير والتخزين. لذلك، يُعدّ التكتل مشكلة تقنية رئيسية تُعيق تطوير المواد النانوية.
تكتل المساحيق فائقة الدقة
يشير مصطلح التكتل إلى عملية تلامس جزيئات المسحوق الأولية أثناء التحضير أو الفصل أو المعالجة أو التخزين، مُشكّلةً مجموعات أكبر. حاليًا، هناك ثلاثة أسباب رئيسية لتكتل المسحوق فائق الدقة:
القوى بين الجزيئات
عندما تتحول جسيمات المعادن إلى جسيمات فائقة الدقة، تصبح المسافة بينها صغيرة جدًا. عندها تتجاوز قوى فان دير فالس قوة جاذبية الجسيمات نفسها، مما يؤدي إلى التجاذب والتكتل. كما تُعزز الروابط الهيدروجينية، وجسور الرطوبة الممتصة، وغيرها من الروابط الكيميائية على أسطح الجسيمات الالتصاق والتكتل.
القوى الكهروستاتيكية
أثناء الطحن فائق الدقة، يتسبب التصادم والاحتكاك في تراكم شحنات موجبة أو سالبة على أسطح الجسيمات. قد تكون بعض النتوءات على الجسيم مشحونة موجبة، بينما تكون أخرى سالبة. تتجاذب هذه الجسيمات المشحونة غير المستقرة، وخاصةً عند النقاط الحادة، مما يؤدي إلى تكتلها. القوة الدافعة الرئيسية في هذه العملية هي التجاذب الكهروستاتيكي.
الالتصاق في الهواء
عندما تتجاوز الرطوبة النسبية للهواء 65%، يتكثف بخار الماء على الجسيمات وبينها، مما يُكوّن جسورًا سائلة تُعزز التكتل بشكل كبير.
بالإضافة إلى ذلك، أثناء التكسير، تمتص المواد المعدنية الطاقة الميكانيكية أو الحرارية. هذا يمنح الجسيمات الدقيقة المُشكّلة حديثًا طاقة سطحية عالية، مما يجعلها غير مستقرة. لتقليل هذه الطاقة، تقترب الجسيمات بشكل طبيعي وتتكتل.
تتضمن تكتلات المواد النانوية النوع الناعم والنوع الصلب. التكتل الناعم تنتج عن قوى فان دير فالس والقوى بين الجزيئات ومن السهل نسبيا عكسها. التكتل الصلب أكثر تعقيدًا، وتُقترح خمس نظريات رئيسية: الامتزاز الشعري، والرابطة الهيدروجينية، والجسر البلوري، والرابطة الكيميائية، وانتشار الذرات السطحية. ومع ذلك، لم يُقبل تفسير موحد حتى الآن.
وعلى الرغم من هذه التحديات، فقد أجرى الناس أبحاثًا مكثفة لتطوير تقنيات التشتيت لمنع التكتل.
تشتت المساحيق فائقة الدقة
ترتكز تقنيات التشتيت بشكل أساسي على حالتين: التشتت في وسائط الطور الغازي وفي وسائط الطور السائل.
1. التشتت الميكانيكي
تستخدم هذه الطريقة طاقة ميكانيكية خارجية - مثل القص أو التصادم - لتشتيت الجسيمات النانوية في وسط. تشمل التقنيات الشائعة الطحن، وطحن الكرات، وطحن الاهتزاز، وطحن الغرويات، والهواء. الطحن النفاث، والتحريك الميكانيكي.
ومع ذلك، بمجرد مغادرة الجسيمات المجال المضطرب الناتج عن التحريك، قد تتكتل مجددًا. لذلك، غالبًا ما يُعطي الجمع بين التشتت الميكانيكي والمشتتات الكيميائية نتائج أفضل.
2. التشتت الكيميائي
تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع في الصناعة، وتتضمن إضافة إلكتروليتات أو مواد خافضة للتوتر السطحي أو مُشتتات بوليمرية إلى مُعلق مساحيق فائقة الدقة. تمتص هذه المواد على أسطح الجسيمات، وتُغير خصائص السطح، وتُحسّن التوافق مع الطور السائل، مما يُؤدي إلى تشتت أفضل.
تشمل المشتتات الشائعة المواد الخافضة للتوتر السطحي، والأملاح غير العضوية منخفضة الوزن الجزيئي، ومشتتات البوليمر، وعوامل الربط. تُعد مشتتات البوليمر، وخاصةً البوليمرات الإلكتروليتية، من أكثرها استخدامًا وفعالية.
3. التشتت بالموجات فوق الصوتية
يتضمن التشتت بالموجات فوق الصوتية وضع التعليق في مجال الموجات فوق الصوتية وتطبيق التردد والمدة المناسبين لتحقيق فصل فعال للجسيمات.
تُولّد الموجات فوق الصوتية درجات حرارة عالية موضعية، وضغطًا مرتفعًا، وموجات صدمية قوية، ونفثات دقيقة. تُضعف هذه القوى تفاعلات الجسيمات، مما يُساعد على تشتتها. مع ذلك، يجب تجنّب ارتفاع درجة الحرارة، إذ قد تزيد الطاقة الحرارية والميكانيكية الزائدة من وتيرة الاصطدام وتُفاقم التكتل.
التشتت في الطور الغازي
1. التشتت الجاف
في الهواء الرطب، تتشكل جسور سائلة بين الجسيمات مسببةً تكتلها. يتضمن تجفيف المواد الصلبة خطوتين أساسيتين: التسخين لتبخير الرطوبة، والسماح للبخار بالانتشار إلى الطور الغازي. يُعدّ إزالة أو كسر الجسور السائلة أمرًا ضروريًا للحفاظ على توزيع جيد.
تتضمن معظم عمليات إنتاج المسحوق التجفيف الحراري كخطوة معالجة أولية.
2. التشتت الميكانيكي
تستخدم هذه الطريقة قوى ميكانيكية - مثل إجهاد القص والضغط - أكبر من قوى التصاق الجسيمات لتفتيت التكتلات. من المصادر الشائعة: المراوح الدوارة عالية السرعة، والأقراص، أو نفاثات الهواء عالية السرعة، مما يُحدث اضطرابًا شديدًا.
التشتيت الميكانيكي سهل التنفيذ نسبيًا. ومع ذلك، نظرًا لكونه عملية قسرية، فقد تتكتل الجسيمات مجددًا بمجرد خروجها من الموزع. كما قد يُلحق الضرر بالجسيمات الهشة ويؤدي إلى انخفاض فعاليتها مع تآكل المعدات.
3. كهرباء ساكنة تشتت
تتنافر جسيمات المادة نفسها ذات الشحنات المتطابقة بسبب القوة الكهروستاتيكية. يُستخدم هذا المبدأ في التشتت، إذا أمكن شحن الجسيمات بالكامل.
تشمل طرق الشحن التلامسي، والحث، وشحن الكورونا. من بين هذه الطرق، يُعد شحن الكورونا الأكثر فعالية، إذ يُنشئ ستارًا أيونيًا من خلال تفريغ الكورونا، مما يُشحن الجسيمات بالتساوي. تُساعد قوى التنافر الناتجة في الحفاظ على التشتت.
خاتمة
هناك العديد من طرق تعديل المساحيق فائقة الدقة، تختلف اختلافًا كبيرًا عن الطرق الرئيسية المذكورة أعلاه. نحتاج إلى تحسين عمليات التعديل بناءً على دراسات معمقة، وتطوير تقنيات مركّبة متعددة الوظائف. باختصار، يتطلب التقدم في تكنولوجيا المساحيق فائقة الدقة تعاونًا بين جميع قطاعات الصناعة - من مؤسسات البحث إلى المصنّعين - وابتكارًا مستمرًا.
يختار مسحوق ملحمي للحصول على حلول معالجة مسحوق فعالة وموفرة للطاقة وصديقة للبيئة!
