A részecskeméretnek a szervetlen porok termikus viselkedésére gyakorolt influenciájáról

Olvadó

Schmid [4] szerint a milli- és mikrométeres tartományban a részecskék méretének változása nem befolyásolja jelentősen a részecskék olvadási viselkedését. Az 50 nm-nél nagyobb átmérőjű gömb alakú részecskék esetében a felszínen lévő részecskék az ömlesztett anyag kevesebb mint 6%-át teszik ki, ezért hatásuk elhanyagolható. Kisebb részecskeméretek esetén (r < 25 nm) a felület közelében a koordinatívan telítetlen részecskék aránya növekszik, ami a Reifenberger-modell [5] szerint az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadási hőmérséklet szignifikáns csökkenését okozza [6].

Reakciók a részecskefelszínen

A szénrészecskék égése a felületi reakció modelljeként használható. A gáznemű oxigén egyenletesen juttatható a részecskék felületére, és ott reakcióba lépve_CO2-t képez, amely gáznemű és ezért könnyen eltávolítható termék. Maga a reakció friss, reaktív felületet hoz létre. A szénrészecske mérete addig csökken, amíg teljesen átalakul_CO2-vé. Ezzel szemben a fémrészecskék OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációja során keletkező fémoxid felületi réteg egy passzív gátló réteget képez, amely egy bizonyos vastagságon túl megakadályozza az oxigén hozzáférését a fémmaghoz, és ezáltal megakadályozza a mennyiségi átalakulást (figura 1).

Mérési eredmények

A különböző koromtípusok hasonló részecskeméretük (~50 nm) ellenére nagyon eltérő égési viselkedést mutattak, amint azt a 2. ábra mutatja. A különbségek valószínűleg az anyagok porozitásbeli különbségeinek köszönhetőek, amelyek befolyásolják a felületüket. Így a szemcseméret önmagában csak durva meghatározója az OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációs viselkedésnek.

Gáznemű reakciótermékek felszabadulása

Bár a Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlási reakciók nem igényelnek további gáznemű reaktánsokat, mégis jelentős mértékben befolyásolják őket a szállítási folyamatok. Bár a felület ebben az esetben nem döntő fontosságú, a részecskemérettől függ az a távolság, amelyen a felszabaduló gázoknak a részecske belsejéből a pórusokon vagy csatornákon keresztül a részecske felszínére kell jutniuk. Ezért ez a folyamat lényegesen effikánsabb a nagyon small részecskék esetében.

A _CaCO3 (3. ábra) és a goethit (4. ábra) példái jól szemléltetik a kisebb részecskeméret hatását a hőmérséklet csökkentésében, amelyen az anyagok_CO2 vagy_H2Ofelszabadulásával bomlanak [6]. A termogravimetriás eredmények azt mutatják, hogy a felszabaduló gázok sztöchiometriáját nem befolyásolja a részecskeméret változtatása.

Az α-FeOOH (goethit) _α-Fe2O3-á (hematit) dehidratálásának termokinetikai elemzése azt mutatta, hogy a reakció formális kinetikai modellje egyszerűbb a small részecskékre, mint a large részecskékre. A különböző fűtési sebességek mellett végzett méréseket egy két egymást követő ^n-edik rendű lépésből álló reakciófolyammal és 150 kJ/mol aktiválási energiával modellezték [7]. A 120°C és 350°C közötti tömegveszteség lépések kvantitatív meghatározása a goethitnek hematittá történő sztöchiometrikus átalakulására várt értékeket konfigurálta. A tömegveszteség sebessége (DTG) - szaggatott vonalakkal jelölve - azt mutatja, hogy a reakciócsúcs kisebb szemcseméret esetén alacsonyabb hőmérsékletre tolódik. A 4. figurán látható fénykép a goethitminták megjelenésének változását mutatja változó szemcseméret mellett.

Szinterezés

A préselt porszemcsék szinterezése során megfigyelt szemcseméretfüggő hatások nem magyarázhatók pusztán a megnövekedett felülettel (5. ábra). Az olvadási viselkedéssel ellentétben a részecskeméret szinterezésre gyakorolt hatásai már a large mikrométeres tartományban is jelentkeznek. A szinterelési hőmérséklet jelentős csökkenése a részecskeméret viszonylag small változatossága mellett következik be.

A gömb alakú részecskék közötti érintkezési pontok száma sokkal gyorsabban nő, mint a felület-volumen arány (6. és 7. ábra). A szinterelési aktivitás növekedése szempontjából a részecskék közötti érintkezési pontok fontosak. A 10 μm és 130 nm közötti átmérőjű részecskéket a NETZSCH ZETA® RS4 verőmalom-rendszerrel történő őrléssel állítottuk elő.

A 8. ábra a _BaTiO3 szinterelési aktivitásának függését mutatja a szemcsemérettől. A legkisebb részecskék 1108 °C-os szinterelési hőmérséklete (extrapolált kezdeti hőmérséklet) majdnem 100 K-val alacsonyabb, mint a nagyobb részecskék szinterelési hőmérséklete (1205 °C).

Összefoglaló

Termoanalitikai mérések segítségével be lehetett bizonyítani, hogy a részecskeméret jelentős hatással van az olyan folyamatok kinetikájára és ezáltal hőmérsékletfüggésére, mint a dehidratáció, a Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás, az égés és a SzinterezésA szinterezés olyan gyártási eljárás, amelynek során kerámia- vagy fémporból mechanikailag erős testet alakítanak ki. szinterezés. A minta előkészítése, különösen a részecskeméret, tehát fontos paraméter, amelyet figyelembe kell venni a mérési eredmények értelmezésekor.

A hőelemzési módszerek viszonylag egyszerű és gyors eszközt kínálnak a részecskeméretnek a minta tulajdonságaira gyakorolt hatásának mérésére.