Influence de la taille des particules sur le comportement thermique des poudres inorganiques

Fusion

Selon Schmid [4], la variation de la taille des particules dans la plage des millimètres et des micromètres n'influence pas de manière significative le comportement de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion des particules. Pour les particules sphériques d'un diamètre supérieur à 50 nm, les particules à la surface représentent moins de 6 % de la masse et ont donc un effet négligeable. Pour les particules de plus petite taille (r < 25 nm), le pourcentage de particules non saturées de façon coordonnée près de la surface augmente, ce qui entraîne une diminution signifi cative de la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion [6] selon le modèle de Reifenberger [5].

Réactions à la surface des particules

La combustion de particules de carbone peut être utilisée comme modèle de réaction de surface. L'oxygène gazeux peut être amené uniformément à la surface des particules et y réagit pour former du_CO2, un produit gazeux et donc facilement éliminable. Une nouvelle surface réactive est générée par la réaction elle-même. La taille de la particule de carbone diminue jusqu'à ce qu'elle soit complètement transformée en_CO2. En revanche, la couche superficielle d'oxyde métallique produite lors de l'OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation des particules métalliques constitue une barrière passive qui empêche l'oxygène d'accéder au noyau métallique au-delà d'une certaine épaisseur, empêchant ainsi la conversion quantitative (figure 1).

Résultats des mesures

Malgré des tailles de particules comparables (~50 nm), les différents types de noir de carbone ont présenté des comportements de combustion très différents, comme le montre la figure 2. Ces différences sont probablement dues aux différences de porosité des matériaux, qui affectent leur surface. Ainsi, la taille des particules seule n'est qu'une détermination approximative du comportement à l'OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation.

Dégagement de produits de réaction gazeux

Bien que les réactions de décomposition ne requièrent aucun réactif gazeux supplémentaire, elles sont néanmoins fortement influencées par les processus de transport. Bien que la surface ne soit pas cruciale dans ce cas, la distance sur laquelle les gaz libérés doivent être transportés de l'intérieur à la surface de la particule via des pores ou des canaux dépend de la taille de la particule. Ce processus est donc beaucoup plus efficient pour les particules très small.

Les exemples du _CaCO3 (figure 3) et de la goethite (figure 4) illustrent l'effet d'une taille de particule plus petite sur l'abaissement des températures auxquelles les matériaux se décomposent en libérant du_CO2 ou de l'_H2O[6]. Les résultats thermogravimétriques confi rment que les stœchiométries des gaz libérés ne sont pas affectées par la variation de la taille des particules.

L'analyse thermocinétique de la déshydratation de l'α-FeOOH (goethite) en _α-Fe2O3 (hématite) a montré que le modèle cinétique formel de la réaction était plus simple pour les particules small que pour les particules large. Les mesures effectuées à différentes vitesses de chauffage ont été modélisées par un processus réactionnel composé de deux étapes consécutives d'ordre ⁿ et d'une énergie d'activation de 150 kJ/mol [7]. La quanfication des étapes de perte de masse entre 120°C et 350°C confirme les valeurs attendues pour la conversion stœchiométrique de la goethite en hématite. Le taux de perte de masse (DTG) - indiqué par des lignes en pointillés - montre que le pic de réaction est déplacé vers des températures plus basses avec des tailles de particules plus petites. La photo de la figure 4 montre le changement d'aspect des échantillons de goethite en fonction de la taille des particules.

Frittage

Les effets dépendant de la taille des particules observés lors du FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage de pastilles de poudre pressée ne peuvent pas être expliqués par la seule augmentation de la surface (figure 5). Contrairement au comportement à la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion, les effets de la taille des particules sur le FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage se produisent à des dimensions de l'ordre du micromètre ( large ). Des réductions significatives de la température de FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage se produisent avec une variation relativement importante de la taille des particules ( small ).

La quantité de points de contact entre les particules sphériques augmente beaucoup plus rapidement que le rapport surface-volume (figures 6 et 7). Les points de contact entre les particules sont importants pour l'augmentation de l'activité de FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage. Des particules de 10 μm à 130 nm de diamètre ont été générées en broyant les matériaux à l'aide du système de broyage ZETA® RS4 de NETZSCH.

La figure 8 montre la dépendance de l'activité de FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage par rapport à la taille des particules pour _BaTiO3. La température de FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage de 1108°C pour les plus petites particules (température de début extra-polée) est inférieure de près de 100 K à la température de FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage des plus grosses particules (1205°C).

Résumé

À l'aide de mesures thermoanalytiques, il a pu être démontré que la taille des particules a un effet significatif sur la cinétique et, par conséquent, sur la dépendance à la température de processus tels que la déshydratation, la décomposition, la combustion et le FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage. La préparation de l'échantillon, en particulier la taille des particules, est donc un paramètre important à prendre en compte lors de l'interprétation des résultats des mesures.

Les méthodes d'analyse thermique offrent un moyen relativement simple et rapide de mesurer les effets de la taille des particules sur les propriétés de l'échantillon.