Poudres superfines 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.
Agglomération de poudres superfines
L'agglomération des poudres ultrafines se produit lors de la préparation, de la séparation, de la manipulation et du stockage de particules primaires. Trois causes principales sont actuellement reconnues : les forces intermoléculaires, les forces électrostatiques entre les particules et les particules en suspension dans l'air. Enfin, les particules se lient entre elles lorsqu'elles sont en suspension dans l'air.
Les forces intermoléculaires provoquent l'agglomération de poudres ultrafines
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.
Les forces électrostatiques entre les particules provoquent une agglomération
Lors du traitement ultrafin, les matériaux minéraux acquièrent des charges par impact et frottement. Les particules ultrafines nouvellement formées accumulent de grandes quantités de charges positives ou négatives. Certaines protubérances superficielles portent des charges positives, d'autres des charges négatives. Ces particules chargées sont très instables. Pour se stabiliser, elles s'attirent et entrent en contact au niveau de points pointus. Cette connexion provoque l'agglomération des particules. La force électrostatique est le principal moteur de ce processus.
Liaison des particules dans l'air
Lorsque l'humidité relative dépasse 65%, la vapeur d'eau se condense à la surface des particules. Des ponts liquides se forment entre les particules, favorisant considérablement l'agglomération.
De plus, lors du broyage, les matières minérales absorbent de grandes quantités d'énergie mécanique ou thermique. Ainsi, les nouvelles particules ultrafines présentent une énergie de surface très élevée. Dans cet état, les particules sont très instables. Pour réduire leur énergie de surface, les particules ont tendance à s'agréger et à se rapprocher, ce qui favorise l'agglomération des particules.
L'agglomération des nanomatériaux se divise en agglomération douce et agglomération dure. L'agglomération douce est causée par les forces intermoléculaires et les forces de van der Waals. Il est relativement facile d'éliminer l'agglomération douce. Cinq théories expliquent la formation d'agglomérations dures : l'adsorption capillaire, la liaison hydrogène et le pont cristallin. Il existe également des théories de liaison chimique et de diffusion atomique de surface. Cependant, aucune explication unifiée n'a encore été établie. Actuellement, de nombreuses études se concentrent sur les technologies de dispersion pour prévenir l'agglomération des poudres ultrafines.
Dispersion de poudres superfines
La dispersion des poudres superfines concerne principalement deux types d'états de dispersion.
L'une est la dispersion en milieu gazeux, l'autre est la dispersion en milieu liquide.
Méthode de dispersion en phase liquide
Méthode de dispersion mécanique
La dispersion mécanique utilise des forces de cisaillement ou d'impact externes pour disperser les nanoparticules dans un milieu. Les méthodes incluent le broyage, broyeur à billes, broyeur à broches, broyeur à jet d'air, et agitation mécanique.
Le principal problème de l'agitation mécanique est que les particules peuvent se réagréger à la sortie de la turbulence. Une fois sorties du champ turbulent, les particules peuvent se reformer en amas sous l'effet de l'environnement extérieur. Par conséquent, l'utilisation d'une agitation mécanique avec des dispersants chimiques donne souvent de meilleurs résultats de dispersion.
Méthode de dispersion chimique
La dispersion chimique est une méthode largement utilisée pour disperser des suspensions de poudres ultrafines en production industrielle. L'ajout d'électrolytes inorganiques, de tensioactifs et de dispersants polymères modifie la surface de la poudre.
Cela modifie l’interaction entre la poudre et le milieu liquide, permettant ainsi une dispersion.
Les dispersants comprennent les tensioactifs, les électrolytes inorganiques à petites molécules, les dispersants polymères et les agents de couplage. Parmi eux, les dispersants polymères sont les plus couramment utilisés, les polyélectrolytes étant les plus importants.
Méthode par ultrasons
Le contrôle par ultrasons place la suspension industrielle dans un champ ultrasonore. En ajustant la fréquence et la durée, les particules sont entièrement dispersées. La dispersion ultrasonore est plus efficace pour les nanoparticules. La dispersion ultrasonore utilise la cavitation pour générer une température, une pression, des ondes de choc et des microjets élevés. Ces derniers affaiblissent les forces d'interaction entre les nanoparticules, empêchant ainsi l'agglomération et assurant la dispersion. Cependant, une agitation ultrasonore excessive est à éviter. L'augmentation de la chaleur et de l'énergie mécanique augmente les collisions de particules, provoquant une agglomération supplémentaire.
Méthodes de dispersion en phase gazeuse
Séchage et dispersion
Dans l'air humide, les ponts liquides entre les particules de poudre sont la principale cause d'agglomération. Le séchage des matériaux solides implique deux processus fondamentaux. Premièrement, la chaleur est appliquée au matériau pour vaporiser l'humidité. Deuxièmement, l'eau vaporisée diffuse dans la phase gazeuse. Par conséquent, il est essentiel d'empêcher la formation de ponts liquides ou de rompre les ponts existants pour assurer la dispersion. La plupart des procédés de production de poudre utilisent le chauffage et le séchage comme étape de prétraitement.
Dispersion mécanique
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.
La dispersion mécanique est relativement facile à réaliser. Il s'agit cependant d'une méthode de dispersion forcée. Bien que les particules agglomérées puissent être fragmentées dans le disperseur, leurs interactions restent inchangées. Après avoir quitté le disperseur, les particules peuvent se réagréger. De plus, la dispersion mécanique peut écraser les particules cassantes. L'usure des équipements mécaniques diminue l'efficacité de la dispersion.
Dispersion électrostatique
Pour les particules homogènes, la similarité de charge de surface provoque une répulsion électrostatique. Ainsi, les forces électrostatiques peuvent être utilisées pour la dispersion des particules. La question clé est de savoir comment charger complètement le groupe de particules. Des méthodes comme la charge par contact et la charge par induction permettent de charger les particules. La méthode la plus efficace est la charge corona. Cette méthode utilise une décharge corona pour former un rideau d'ions et charger les particules. Les particules reçoivent la même charge de polarité. La répulsion électrostatique entre les particules chargées les disperse.
Conclusion
Il existe de nombreuses autres méthodes de modification des poudres ultrafines, très différentes des méthodes classiques. Cependant, quelle que soit la méthode, des recherches plus approfondies sur les principes de modification sont nécessaires. L'objectif est de trouver de nouvelles méthodes adaptées aux différents besoins de modification et à la production pratique.
Cela nécessite d'optimiser les procédés de modification en s'appuyant sur une compréhension approfondie des mécanismes de modification. Nous devons développer des procédés de traitement « composites » capables d'atteindre de multiples objectifs de modification. De plus, des modifications des équipements chimiques existants sont nécessaires pour s'adapter à la modification de surface. En conclusion, cela nécessite une coopération et des progrès continus au sein de l'ensemble de l'industrie des poudres, du monde universitaire et de la recherche.
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