초미립 분말은 마이크로미터에서 나노미터 크기의 입자를 가진 물질을 말합니다. 중국 광물 가공 업계의 합의에 따르면, 초미립 분말은 30μm 미만의 입자가 100% 이상 포함된 분말입니다. 나노 소재는 널리 사용되고 있으며, 기존 소재에는 없는 고유한 특성, 즉 작은 크기 효과, 거시적인 양자 터널링 효과, 표면 효과 등을 가지고 있습니다.
그러나 나노물질은 높은 비표면적과 강한 활성을 가지며, 매우 불안정합니다. 또한, 쉽게 응집되어 본래의 특성을 잃는 경향이 있습니다. 이는 나노물질의 가치를 떨어뜨리고 제조 및 보관을 복잡하게 만듭니다. 따라서 응집은 나노물질 개발을 저해하는 핵심적인 기술적 문제입니다.
초미립 분말의 응집
응집은 제조, 분리, 가공 또는 보관 과정에서 1차 분말 입자가 서로 연결되어 더 큰 덩어리를 형성하는 과정을 말합니다. 현재 초미세 분말 응집의 세 가지 주요 원인은 다음과 같습니다.
분자간 힘
광물 입자가 초미세화되면 입자 사이의 거리가 매우 좁아집니다. 이때 반데르발스 힘이 입자 자체의 중력을 능가하여 인력과 응집을 유발합니다. 수소 결합, 흡착된 수분 다리, 그리고 입자 표면의 다른 화학 결합 또한 접착과 군집을 촉진합니다.
정전기력
초미분 분쇄 과정에서 발생하는 충격과 마찰은 입자 표면에 양전하 또는 음전하를 축적하게 합니다. 입자의 돌출부 중 일부는 양전하를 띠고 다른 일부는 음전하를 띨 수 있습니다. 이처럼 불안정하게 대전된 입자들은 특히 날카로운 부분에서 서로 끌어당겨 응집을 일으킵니다. 이 과정의 주요 원동력은 정전기적 인력입니다.
공기 중 접착력
공기의 상대 습도가 65%를 초과하면 수증기가 입자 위나 입자 사이에 응축됩니다. 이로 인해 응집을 크게 증가시키는 액체 브리지가 형성됩니다.
또한, 광물 재료는 파쇄 과정에서 기계적 또는 열 에너지를 흡수합니다. 이로 인해 새로 형성된 초미립자는 높은 표면 에너지를 가지게 되어 불안정해집니다. 이 에너지를 줄이기 위해 입자들은 자연스럽게 서로 가까워지고 뭉쳐집니다.
나노물질 응집에는 소프트 타입과 하드 타입이 있습니다. 연성 응집 반데르발스 힘과 분자간 힘에 의해 발생하며 비교적 쉽게 되돌릴 수 있습니다. 단단한 응집 모세관 흡착, 수소 결합, 결정 가교, 화학 결합, 표면 원자 확산 등 다섯 가지 주요 이론이 제시되어 더 복잡합니다. 그러나 아직 통일된 설명은 제시되지 않았습니다.
이러한 어려움에도 불구하고, 사람들은 응집을 방지하기 위한 분산 기술을 개발하기 위해 광범위한 연구를 수행해 왔습니다.
초미립 분말의 분산
분산 기술은 주로 기체상 매체에서의 분산과 액체상 매체에서의 분산이라는 두 가지 상태에 초점을 맞춥니다.
1. 기계적 분산
이 방법은 전단이나 충격과 같은 외부 기계적 에너지를 이용하여 나노입자를 매질에 분산시킵니다. 일반적인 기술로는 분쇄, 볼 밀링, 진동 밀링, 콜로이드 밀링, 공기 밀링 등이 있습니다. 제트 밀링, 그리고 기계적 교반.
그러나 입자가 교반으로 생성된 난류장을 벗어나면 다시 응집될 수 있습니다. 따라서 기계적 분산과 화학적 분산제를 함께 사용하면 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.
2. 화학 분산
산업계에서 널리 사용되는 이 방법은 초미립 분말 현탁액에 전해질, 계면활성제 또는 고분자 분산제를 첨가하는 것입니다. 이러한 분산제는 입자 표면에 흡착되어 표면 특성을 변화시키고 액상과의 상용성을 향상시켜 분산을 향상시킵니다.
일반적인 분산제로는 계면활성제, 저분자 무기염, 고분자 분산제, 커플링제가 있습니다. 고분자 분산제, 특히 고분자전해질은 가장 널리 사용되고 효과적인 분산제 중 하나입니다.
3. 초음파 분산
초음파 분산은 초음파장에 현탁액을 놓고 적절한 주파수와 지속 시간을 적용하여 입자를 효과적으로 분리하는 것을 말합니다.
초음파는 국부적으로 고온, 고압, 강한 충격파, 그리고 마이크로젯을 생성합니다. 이러한 힘은 입자 간 상호작용을 약화시켜 분산을 돕습니다. 그러나 과열은 피해야 합니다. 과도한 열 및 기계적 에너지는 충돌 빈도를 증가시키고 응집을 악화시킬 수 있습니다.
기체상 분산
1. 건조 분산
습한 공기에서는 입자 사이에 액체 다리가 형성되어 응집을 일으킵니다. 고체 물질을 건조하는 데는 두 가지 기본 단계가 필요합니다. 수분을 기화시키기 위한 가열과 증기를 기체 상태로 확산시키는 것입니다. 액체 다리를 제거하거나 끊는 것은 양호한 분산 상태를 유지하는 데 필수적입니다.
대부분의 분말 생산 공정에는 전처리 단계로 열 건조가 포함됩니다.
2. 기계적 분산
이 방법은 입자 부착력보다 큰 기계적 힘(예: 전단 응력 및 압축 응력)을 사용하여 클러스터를 분해합니다. 일반적인 원인으로는 고속 회전 임펠러, 디스크, 또는 강한 난류를 생성하는 고속 공기 분사가 있습니다.
기계적 분산은 비교적 쉽게 구현할 수 있습니다. 하지만 강제적인 공정이기 때문에 입자가 분산기를 떠나면 다시 응집될 수 있습니다. 또한, 깨지기 쉬운 입자가 손상될 수 있으며 장비가 마모됨에 따라 효율이 저하될 수 있습니다.
3. 정전기 분산
같은 물질이고 같은 전하를 가진 입자들은 정전기력 때문에 서로 반발합니다. 이 원리는 입자가 완전히 대전될 수 있는 경우 분산에 사용됩니다.
충전 방법에는 접촉, 유도, 코로나 충전이 있습니다. 이 중 코로나 충전이 가장 효과적입니다. 코로나 충전은 코로나 방전을 통해 이온 커튼을 형성하여 입자를 균일하게 대전시킵니다. 이렇게 발생하는 반발력은 분산을 유지하는 데 도움이 됩니다.
결론
초미립 분말 개질에는 위에서 논의된 주요 접근 방식과는 크게 다른 여러 방법이 있습니다. 심층 연구를 기반으로 개질 공정을 최적화하는 동시에 다양한 기능을 수행하는 복합 기술을 개발해야 합니다. 간단히 말해, 초미립 분말 기술의 발전은 연구 기관부터 제조업체에 이르기까지 산업 전반의 협력과 지속적인 혁신을 필요로 합니다.
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