超微粉とは、粒子サイズがマイクロメートルからナノメートルの範囲にある材料を指します。中国の鉱業業界では、超微粉とは30μm未満の粒子が100%個含まれる材料を指します。ナノ材料は広く利用されており、従来の材料にはない独自の特性、例えば微小サイズ効果、マクロな量子トンネル効果、表面効果などを有しています。
しかし、ナノ材料は比表面積が大きく、活性も強いものの、極めて不安定です。凝集しやすく、本来の特性を失いやすいため、その価値は低下し、製造と保管も複雑になります。そのため、凝集はナノ材料開発を阻む重要な技術的課題となっています。
超微粉体の凝集
凝集とは、粉末の一次粒子が調製、分離、加工、または保管中に結合し、より大きなクラスターを形成するプロセスを指します。現在、超微粉の凝集の主な原因は以下の3つです。
分子間力
鉱物粒子が超微細スケールに変化すると、粒子間の距離は非常に小さくなります。ファンデルワールス力が粒子自体の重力を超え、粒子同士が引力を発揮して凝集が起こります。粒子表面における水素結合、吸着水橋、その他の化学結合も、付着とクラスター形成を促進します。
静電気力
超微粉砕中、衝撃と摩擦により粒子表面に正または負の電荷が蓄積されます。粒子の突起部には正電荷を帯びているものもあれば、負電荷を帯びているものもあります。これらの不安定な帯電粒子は、特に鋭利な先端部で互いに引き合い、凝集を引き起こします。このプロセスの主な駆動力は静電気による引力です。
空気中での接着
空気の相対湿度が65%を超えると、水蒸気が粒子上および粒子間に凝縮します。これにより液体の橋が形成され、凝集が著しく促進されます。
さらに、粉砕の過程で鉱物は機械的エネルギーまたは熱エネルギーを吸収します。これにより、新たに形成された超微粒子は高い表面エネルギーを帯び、不安定になります。このエネルギーを低減するため、粒子は自然に接近して凝集します。
ナノマテリアルの凝集体にはソフトタイプとハードタイプがあります。 ソフト凝集 これはファンデルワールス力と分子間力によって引き起こされ、比較的簡単に元に戻すことができます。 ハードアグロメレーション より複雑で、毛細管吸着、水素結合、結晶架橋、化学結合、表面原子拡散という5つの主要な理論が提唱されています。しかし、統一された説明はまだ確立されていません。
このような課題にもかかわらず、凝集を防ぐための分散技術の開発に向けて広範な研究が行われてきました。
超微粉体の分散
分散技術は、主に気相媒体における分散と液相媒体における分散という 2 つの状態に焦点を当てています。
1. 機械的分散
この方法では、せん断や衝撃などの外部機械エネルギーを利用してナノ粒子を媒体中に分散させます。一般的な技術としては、粉砕、ボールミル、振動ミル、コロイドミル、空気粉砕などがあります。 ジェットミリング、および機械的撹拌。
しかし、撹拌によって生じた乱流場から粒子が抜け出すと、再び凝集する可能性があります。そのため、機械的分散と化学分散剤を組み合わせることで、より良い結果が得られることが多いのです。
2. 化学分散
産業界で広く使用されているこの方法では、超微粒子の懸濁液に電解質、界面活性剤、またはポリマー分散剤を添加する。これらの薬剤は粒子表面に吸着し、表面特性を変化させ、液相との相溶性を向上させることで、より良好な分散状態を実現する。
一般的な分散剤には、界面活性剤、低分子無機塩、ポリマー分散剤、カップリング剤などがあります。ポリマー分散剤、特に高分子電解質は、最も広く使用され、効果的な分散剤の一つです。
3. 超音波分散
超音波分散では、懸濁液を超音波場内に置き、適切な周波数と持続時間を適用して効果的な粒子分離を実現します。
超音波は局所的な高温、高圧、強力な衝撃波、そしてマイクロジェットを発生させます。これらの力は粒子間の相互作用を弱め、分散を促進します。しかし、過熱は避けなければなりません。過剰な熱エネルギーと機械エネルギーは衝突頻度を増加させ、凝集を悪化させる可能性があります。
気相中の分散
1. 乾式分散
湿った空気中では、粒子間に液橋が形成され、凝集を引き起こします。固体材料の乾燥には、加熱して水分を蒸発させ、蒸気を気相に拡散させるという2つの基本的なステップがあります。良好な分散を維持するためには、液橋を除去または破壊することが不可欠です。
ほとんどの粉末製造プロセスには、前処理手順として熱乾燥が含まれます。
2. 機械的分散
この方法では、粒子の付着力よりも大きな機械的力（せん断応力や圧縮応力など）を利用してクラスターを分解します。一般的な発生源としては、高速回転するインペラ、ディスク、または強力な乱流を生み出す高速気流などが挙げられます。
機械分散は比較的容易に実施できます。しかし、強制的なプロセスであるため、粒子が分散機から排出されると再凝集する可能性があります。また、壊れやすい粒子に損傷を与え、機器の摩耗に伴い効果が低下する可能性があります。
3. 静電気 分散
同じ物質で同じ電荷を持つ粒子は、静電気力によって互いに反発します。この原理は、粒子が完全に帯電している場合に分散に用いられます。
帯電方法には、接触帯電、誘導帯電、コロナ帯電などがあります。これらの中で、コロナ帯電が最も効果的です。コロナ放電によってイオンカーテンを形成し、粒子を均一に帯電させます。その結果生じる斥力によって、粒子の分散状態が維持されます。
結論
超微粉体の改質方法は多様であり、上記で述べた主要なアプローチとは大きく異なります。綿密な研究に基づいて改質プロセスを最適化するとともに、複数の機能を果たす複合技術を開発する必要があります。つまり、超微粉体技術の進歩には、研究機関からメーカーまで、業界全体の連携と継続的なイノベーションが不可欠です。
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