Bubuk ultrafine mengacu pada material dengan ukuran partikel mulai dari mikrometer hingga nanometer. Menurut konsensus dalam industri pengolahan mineral Tiongkok, bubuk ultrafine adalah bubuk dengan 100% partikel yang lebih kecil dari 30 μm. Material nano digunakan secara luas. Material ini memiliki sifat unik yang tidak dimiliki material tradisional—seperti efek ukuran kecil, efek terowongan kuantum makroskopis, dan efek permukaan.
Namun, nanomaterial memiliki luas permukaan spesifik yang tinggi, aktivitas yang kuat, dan sangat tidak stabil. Nanomaterial cenderung mudah menggumpal, sehingga kehilangan sifat aslinya. Hal ini menurunkan nilai nanomaterial dan mempersulit persiapan dan penyimpanan. Oleh karena itu, penggumpalan merupakan masalah teknis utama yang membatasi pengembangan nanomaterial.
Aglomerasi Serbuk Ultrahalus
Aglomerasi mengacu pada proses saat partikel bubuk primer saling terhubung selama persiapan, pemisahan, pemrosesan, atau penyimpanan, sehingga membentuk gugusan yang lebih besar. Saat ini, tiga penyebab utama aglomerasi bubuk ultrafine adalah sebagai berikut:
Gaya Antar Molekul
Ketika partikel mineral berubah menjadi kerak yang sangat halus, jarak di antara mereka menjadi sangat kecil. Gaya Van der Waals kemudian melampaui gaya gravitasi partikel itu sendiri, yang menyebabkan tarik-menarik dan penggumpalan. Ikatan hidrogen, jembatan kelembapan yang terserap, dan ikatan kimia lainnya pada permukaan partikel juga mendorong adhesi dan pengelompokan.
Gaya Elektrostatik
Selama penggilingan sangat halus, benturan dan gesekan menyebabkan partikel mengumpulkan muatan positif atau negatif pada permukaannya. Beberapa tonjolan pada partikel mungkin bermuatan positif sementara yang lain bermuatan negatif. Partikel bermuatan tidak stabil ini saling tarik menarik—terutama pada titik tajam—yang mengakibatkan penggumpalan. Tenaga pendorong utama dalam proses ini adalah tarikan elektrostatik.
Adhesi di Udara
Bila kelembapan udara relatif melebihi 65%, uap air mengembun pada dan di antara partikel. Hal ini menciptakan jembatan cair yang secara signifikan meningkatkan penggumpalan.
Selain itu, selama penghancuran, material mineral menyerap energi mekanik atau termal. Hal ini memberikan partikel ultrafine yang baru terbentuk energi permukaan yang tinggi, sehingga menjadi tidak stabil. Untuk mengurangi energi ini, partikel secara alami bergerak lebih dekat dan menggumpal.
Aglomerasi nanomaterial meliputi tipe lunak dan tipe keras. Aglomerasi lunak disebabkan oleh gaya van der Waals dan gaya antarmolekul dan relatif mudah untuk dibalik. Aglomerasi keras lebih kompleks, dengan lima teori utama yang diajukan: penyerapan kapiler, ikatan hidrogen, penjembatanan kristal, ikatan kimia, dan difusi atom permukaan. Namun, belum ada penjelasan terpadu yang diterima.
Meskipun adanya tantangan ini, orang telah melakukan penelitian ekstensif untuk mengembangkan teknologi dispersi untuk mencegah penggumpalan.
Dispersi Serbuk Ultrahalus
Teknik dispersi terutama berfokus pada dua keadaan: dispersi dalam media fase gas dan dalam media fase cair.
1. Dispersi Mekanik
Metode ini menggunakan energi mekanik eksternal—seperti geseran atau benturan—untuk menyebarkan nanopartikel dalam suatu media. Teknik umum meliputi penggilingan, penggilingan bola, penggilingan getaran, penggilingan koloid, penggilingan udara penggilingan jet, dan pengadukan mekanis.
Namun, setelah partikel meninggalkan medan turbulen yang terbentuk akibat pengadukan, partikel tersebut dapat kembali menggumpal. Oleh karena itu, menggabungkan dispersi mekanis dengan dispersan kimia sering kali menghasilkan hasil yang lebih baik.
2. Dispersi Kimia
Banyak digunakan dalam industri, metode ini melibatkan penambahan elektrolit, surfaktan, atau dispersan polimer ke suspensi serbuk ultrafine. Zat-zat ini menyerap pada permukaan partikel, mengubah sifat permukaan, dan meningkatkan kompatibilitas dengan fase cair, sehingga menghasilkan dispersi yang lebih baik.
Dispersan umum meliputi surfaktan, garam anorganik bermolekul rendah, dispersan polimer, dan agen penggandeng. Dispersan polimer—terutama polielektrolit—adalah di antara yang paling banyak digunakan dan efektif.
3. Dispersi Ultrasonik
Dispersi ultrasonik melibatkan penempatan suspensi dalam medan ultrasonik dan menerapkan frekuensi dan durasi yang sesuai untuk mencapai pemisahan partikel yang efektif.
Ultrasonografi menghasilkan suhu tinggi yang terlokalisasi, tekanan tinggi, gelombang kejut yang kuat, dan semburan mikro. Kekuatan-kekuatan ini melemahkan interaksi partikel, yang membantu penyebaran. Namun, pemanasan berlebih harus dihindari—energi termal dan mekanis yang berlebihan dapat meningkatkan frekuensi tumbukan dan memperburuk penggumpalan.
Dispersi dalam Fase Gas
1. Dispersi Kering
Di udara lembap, jembatan cairan terbentuk di antara partikel dan menyebabkan penggumpalan. Pengeringan bahan padat melibatkan dua langkah dasar: pemanasan untuk menguapkan air, dan membiarkan uap berdifusi ke dalam fase gas. Menghilangkan atau memutus jembatan cairan sangat penting untuk mempertahankan dispersi yang baik.
Sebagian besar proses produksi bubuk menyertakan pengeringan termal sebagai langkah praperlakuan.
2. Dispersi Mekanik
Metode ini menggunakan gaya mekanis—seperti tekanan geser dan tekan—yang lebih besar daripada gaya adhesi partikel untuk memecah gugusan. Sumber umum termasuk impeller berputar berkecepatan tinggi, cakram, atau jet udara berkecepatan tinggi yang menciptakan turbulensi intens.
Dispersi mekanis relatif mudah diterapkan. Namun, karena ini merupakan proses yang dipaksakan, setelah partikel meninggalkan penyebar, partikel tersebut dapat menggumpal kembali. Dispersi mekanis juga dapat merusak partikel yang rapuh dan menyebabkan berkurangnya efektivitas seiring dengan keausan peralatan.
3. Elektrostatik Penyebaran
Partikel-partikel dari bahan yang sama dengan muatan yang identik saling tolak karena gaya elektrostatik. Prinsip ini digunakan untuk dispersi—jika partikel dapat terisi penuh.
Metode pengisian daya meliputi pengisian daya kontak, induksi, dan korona. Di antara metode-metode tersebut, pengisian daya korona adalah yang paling efektif. Pengisian daya korona menciptakan tirai ion melalui pelepasan muatan korona, yang mengisi daya partikel secara merata. Gaya tolak yang dihasilkan membantu mempertahankan dispersi.
Kesimpulan
Ada banyak metode untuk memodifikasi serbuk ultrafine, yang sangat berbeda dari pendekatan utama yang dibahas di atas. Kita perlu mengoptimalkan proses modifikasi berdasarkan studi mendalam dan mengembangkan teknik komposit yang memiliki banyak fungsi. Singkatnya, kemajuan dalam teknologi serbuk ultrafine memerlukan kolaborasi di seluruh industri—dari lembaga penelitian hingga produsen—dan inovasi berkelanjutan.
Memilih Bubuk Epik untuk solusi pemrosesan bubuk yang efisien, hemat energi, dan ramah lingkungan!
