المشاكل التقنية الرئيسية للمساحيق فائقة الدقة: التشتت والتكتل

مساحيق فائقة النعومة refers to materials with micron to nanometer particle sizes. In mineral processing, ultrafine powder means 100% particle size less than 30μm. Nanomaterials show unique properties like size effect and macroscopic quantum tunneling. These properties make nanomaterials widely used across many fields. However, nanomaterials have large specific surface areas and high activity. They are very unstable and easily agglomerate, losing their original properties. Agglomeration reduces material value and limits performance. It also increases difficulty in preparation and storage of nanomaterials. Therefore, agglomeration is a key technical challenge in nanomaterials development.

تكتل المساحيق فائقة النعومة

تكتل المساحيق فائقة الدقة يعني اتحاد الجسيمات الأولية في مجموعات أكبر. يحدث هذا أثناء عمليات التحضير والفصل والمناولة والتخزين. حاليًا، هناك ثلاثة أسباب رئيسية لتكتل المساحيق فائقة الدقة. أولًا، تُسبب القوى بين الجزيئات تكتل المساحيق فائقة الدقة. ثانيًا، تُؤدي القوى الكهروستاتيكية بين الجسيمات إلى التكتل. ثالثًا، تترابط الجسيمات معًا عند تعليقها في الهواء.

القوى بين الجزيئات تسبب تكتل المساحيق فائقة الدقة

When mineral materials are ultrafine, particle distances become extremely short. Van der Waals forces then far exceed the particle’s own gravity. Thus, ultrafine particles tend to attract and agglomerate. Hydrogen bonds and adsorbed moisture bridges on particle surfaces also cause adhesion. Other chemical bonding effects further promote particle aggregation.

القوى الكهروستاتيكية بين الجسيمات تسبب التكتل

أثناء المعالجة فائقة الدقة، تكتسب المواد المعدنية شحنات من الصدمات والاحتكاك. تتراكم الجسيمات فائقة الدقة المُشكَّلة حديثًا كميات كبيرة من الشحنات الموجبة أو السالبة. تحمل بعض النتوءات السطحية شحنات موجبة، بينما تحمل أخرى شحنات سالبة. هذه الجسيمات المشحونة غير مستقرة للغاية. لتحقيق الاستقرار، تتجاذب وتتلامس عند نقاط حادة. يُسبب هذا الاتصال تكتل الجسيمات. القوة الكهروستاتيكية هي القوة الدافعة الرئيسية في هذه العملية.

الترابط الجزيئي في الهواء

عندما تتجاوز الرطوبة النسبية 65%، يتكثف بخار الماء على أسطح الجسيمات. وتتشكل جسور سائلة بين الجسيمات، مما يعزز التكتل بشكل كبير.
بالإضافة إلى ذلك، أثناء عملية الطحن، تمتص المواد المعدنية كميات كبيرة من الطاقة الميكانيكية أو الحرارية. وبالتالي، تتمتع الجسيمات الدقيقة الجديدة بطاقة سطحية عالية جدًا. وتكون الجسيمات غير مستقرة للغاية في هذه الحالة. ولخفض طاقة السطح، تميل الجسيمات إلى التجمع والتقارب. وهذا أيضًا يُسبب تكتل الجسيمات بسهولة.

يُقسم تكتل المواد النانوية إلى تكتل ناعم وتكتل صلب. ينتج التكتل الناعم عن قوى بين الجزيئات وقوى فان دير فالس. من السهل نسبيًا التخلص من التكتل الناعم. هناك خمس نظريات تفسر تشكل التكتل الصلب، تشمل نظرية الامتزاز الشعري، ونظرية الرابطة الهيدروجينية، ونظرية الجسر البلوري. كما توجد نظريات الرابطة الكيميائية ونظرية انتشار الذرات السطحية. ومع ذلك، لم يُتوصل إلى تفسير موحد حتى الآن. تُركز العديد من الدراسات حاليًا على تقنيات التشتيت لمنع تكتل المساحيق فائقة الدقة.

تشتت المساحيق فائقة النعومة

تتعلق عملية تشتت المساحيق فائقة الدقة بشكل أساسي بنوعين من حالات التشتت.
الأول هو التشتت في وسط غازي، والثاني هو التشتت في وسط سائل.

طريقة التشتت في الطور السائل

طريقة التشتت الميكانيكي

يستخدم التشتت الميكانيكي قوى قص أو تأثير خارجية لتشتيت الجسيمات النانوية في وسط. تشمل الطرق الطحن، مطحنة الكرة, مطحنة الدبوس, طاحونة نفاثة الهواء، والتحريك الميكانيكي.
تكمن المشكلة الرئيسية في التحريك الميكانيكي في أن الجسيمات قد تتجمع مجددًا عند خروجها من المجال المضطرب. بمجرد خروج الجسيمات من المجال المضطرب، قد تدفعها البيئة الخارجية إلى إعادة تشكيل مجموعات. لذلك، غالبًا ما يُعطي استخدام التحريك الميكانيكي مع المشتتات الكيميائية نتائج تشتيت أفضل.

طريقة التشتت الكيميائي

التشتيت الكيميائي طريقة شائعة الاستخدام لتشتيت معلقات المساحيق فائقة الدقة في الإنتاج الصناعي. بإضافة إلكتروليتات غير عضوية، ومواد خافضة للتوتر السطحي، ومشتتات بوليمرية، يتم تعديل سطح المسحوق.
يؤدي هذا إلى تغيير التفاعل بين المسحوق والوسط السائل، مما يحقق التشتت.
تشمل المشتتات المواد الخافضة للتوتر السطحي، والإلكتروليتات غير العضوية ذات الجزيئات الصغيرة، والمشتتات البوليمرية، وعوامل الربط. من بينها، تُعد المشتتات البوليمرية الأكثر استخدامًا، وأهمها البوليمرات الإلكتروليتية.

طريقة الموجات فوق الصوتية

يُوضع نظام التحكم بالموجات فوق الصوتية المُعلق الصناعي في مجال فوق صوتي. بتعديل التردد والمدة، تتشتت الجسيمات بالكامل. تُعدّ الموجات فوق الصوتية أكثر فعالية في تشتيت الجسيمات النانوية. يستخدم التشتيت بالموجات فوق الصوتية التجويف لتوليد درجات حرارة وضغط وموجات صدمية ونفثات دقيقة عالية. تُضعف هذه العوامل قوى التفاعل بين الجسيمات النانوية، مما يمنع التكتل ويضمن التشتت. مع ذلك، يجب تجنب التحريك المفرط بالموجات فوق الصوتية. فمع زيادة الحرارة والطاقة الميكانيكية، تزداد تصادمات الجسيمات، مما يُسبب المزيد من التكتل.

طرق التشتت في الطور الغازي

التجفيف والتشتت

في الهواء الرطب، تُعدّ الجسور السائلة بين جزيئات المسحوق السبب الرئيسي للتكتل. يتضمن تجفيف المواد الصلبة عمليتين أساسيتين. أولاً، تُسخّن المادة لتبخير الرطوبة. ثانياً، ينتشر الماء المتبخر في الطور الغازي. لذلك، يُعدّ منع تكوّن الجسور السائلة أو كسر الجسور الموجودة أساسًا لضمان التشتت. تستخدم معظم عمليات إنتاج المسحوق التسخين والتجفيف كخطوة معالجة أولية.

التشتت الميكانيكي

Mechanical dispersion refers to using mechanical force to break apart agglomerated particles. The necessary condition is that the mechanical force (shear and compressive stress) must exceed the adhesion force. Typically, mechanical force is generated by high-speed rotating impeller disks or high-speed air jet impact . This results in strong turbulent airflow motion. Such as air jet mill and pin mill etc.

التشتيت الميكانيكي سهل التنفيذ نسبيًا، إلا أنه طريقة تشتيت قسري. فبينما يمكن تفكيك الجسيمات المتكتلة في المشتت، تبقى تفاعلاتها ثابتة. بعد مغادرة المشتت، قد تتجمع الجسيمات من جديد. بالإضافة إلى ذلك، قد يؤدي التشتيت الميكانيكي إلى سحق الجسيمات الهشة. ومع تآكل المعدات الميكانيكية، تنخفض كفاءة التشتيت.

التشتت الكهروستاتيكي

بالنسبة للجسيمات المتجانسة، يُسبب تشابه الشحنات السطحية تنافرًا كهروستاتيكيًا. وبالتالي، يُمكن استخدام القوى الكهروستاتيكية لتشتيت الجسيمات. تكمن المشكلة الأساسية في كيفية شحن مجموعة الجسيمات بالكامل. يُمكن شحن الجسيمات بطرق مثل الشحن التلامسي والشحن الحثي. الطريقة الأكثر فعالية هي الشحن بالكورونا. تستخدم هذه الطريقة تفريغ كورونا لتكوين ستارة أيونية، تُشحن الجسيمات. تتلقى الجسيمات شحنة قطبية متماثلة. يُشتت التنافر الكهروستاتيكي بين الجسيمات المشحونة.

خاتمة

هناك العديد من الطرق الأخرى لتعديل المساحيق فائقة الدقة، تختلف اختلافًا كبيرًا عن الطرق السائدة. ومع ذلك، وبغض النظر عن الطريقة، لا يزال هناك حاجة إلى مزيد من البحث حول مبادئ التعديل. الهدف هو إيجاد طرق جديدة تناسب احتياجات التعديل المتنوعة والإنتاج العملي.
يتطلب هذا تحسين عمليات التعديل بناءً على فهم متعمق لآليات التعديل. نحتاج إلى تطوير عمليات معالجة "مركبة" قادرة على تحقيق أهداف تعديل متعددة. علاوة على ذلك، يلزم إجراء تعديلات على المعدات الكيميائية العامة الحالية للتكيف مع تعديل الأسطح. ختامًا، يتطلب هذا تعاونًا وتقدمًا مستمرًا على مستوى صناعة المساحيق والأوساط الأكاديمية والبحثية.

مسحوق ملحمي

مسحوق ملحميأكثر من ٢٠ عامًا من الخبرة في صناعة المساحيق فائقة النعومة. ندعم بنشاط تطوير المساحيق فائقة النعومة، مع التركيز على عمليات التكسير والطحن والتصنيف والتعديل. تواصل معنا للحصول على استشارة مجانية وحلول مُخصصة! فريقنا من الخبراء مُلتزم بتقديم منتجات وخدمات عالية الجودة لتعزيز قيمة معالجة مساحيقك. إيبك باودر - خبيرك الموثوق في معالجة المساحيق!