奈米粉體凝聚的機制與解決方法

所謂的凝聚是原生奈米晶粒(Primary Crystal)在製備,粉碎與存放過程,產生互相連接的狀況,也就是由多顆奈米晶粒形成較大的顆粒(Particle ),一般粉體有兩種粒徑表示,一是原生奈米晶粒叫做primary size,另一個是凝團後的顆粒尺寸叫particle size.primary size會小於或等於particle size.而粒徑分布圖顯示的是凝聚後的顆粒尺寸分布,而非是primary size的分布。

凝聚分成兩種:軟凝聚與硬凝聚。軟凝聚的晶粒凝聚力較小,硬凝聚的晶粒凝聚較大,因此軟凝聚較容易透過外力解凝聚。

奈米粉體的凝聚,可能會是在製備/粉碎/存放時的過程產生,以下分別說明各製程產生凝聚的機制與對策:

1.製備:奈米粉體的製備有兩種方式: 氣相法與液相法。一般來說,氣相法比較不容易發生團聚。液相法產生凝聚的階段常在前趨物處理、固液分離、乾燥、煅燒的時候,要避免製備時發生凝聚,最好是在前趨物生成時添加適當的分散處理,而且在液相時盡量避免含有金屬鹽類,

2.粉碎:在粉碎過程,由於衝擊,摩擦及粒徑減小,被磨細的粉體表面累積大量的正電荷或負電荷,為趨於穩定,它們互相吸引而產生凝聚,這過程的作用力主要是靜電力。而粉體在粉碎時,粉體變細後的表面能增加,為降低表面能,加上顆粒距離較近,顆粒之間的凡德瓦耳力,遠大於顆粒自身的重力,也會因此產生凝聚,另外粉體表面的氫鍵與其他化學鍵也容易導致顆粒凝聚。

由於粉碎的粉體形狀差異較大,也多呈現不規則狀,同時會產生大量的熱能,改變粉體原有的表面狀況,有時還混入雜質(磨球屑),所以如何控制粉碎製程,是各家客戶的know-how。

目前粉碎(或稱珠磨,或稱球磨)是免不了的製程步驟。建議以下幾點製程控制 :

(1)粉碎時間越短越好,盡量避免混入磨球屑 : 要選擇適當的磨球尺寸/材質/形狀/比例等。

(2)要注意研磨前的粉體primary尺寸:一般來說,不要讓研磨後的粉體粒徑大小小於primary尺寸。

(3)在粉碎時需順便做粉體的分散處理:要選擇適當的分散劑種類與比例等。

3. 儲存:奈米粉因比表面積大,容易吸附水,因此存放與包裝要格外注意。