Pendahuluan
Untuk menyelidiki pengaruh ukuran partikel terhadap sifat fisik bahan kristal, berbagai ukuran partikel bahan kristal yang dihasilkan oleh penggilingan dianalisis dengan metode analisis termal, seperti termogravimetri (TGA) [1], differential scanning calorimetry (DSC) [2], dan dilatometri [3].
Variasi ukuran partikel yang relatif small kecil menghasilkan perubahan yang signifikan dalam proses termal yang diselidiki dengan metode-metode ini.
Proses termal yang diselidiki dapat dibagi menjadi empat kategori:
- Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik). Peleburan logam (padat-cair)
- Reaksi pada permukaan partikel (pembakaran karbon)
- Pelepasan produk reaksi gas (dehidrasi dan dekomposisi)
- SinteringSintering adalah proses produksi untuk membentuk bodi yang kuat secara mekanis dari serbuk keramik atau logam. Sintering
Meleleh
Variasi ukuran partikel dalam rentang mili dan mikrometer, menurut Schmid [4], tidak terlalu berpengaruh pada perilaku peleburan partikel. Untuk partikel berbentuk bola dengan diameter lebih besar dari 50 nm, partikel di permukaan menyumbang kurang dari 6% dari total partikel sehingga efeknya dapat diabaikan. Untuk ukuran partikel yang lebih kecil (r < 25 nm), persentase partikel tak jenuh koordinat di dekat permukaan meningkat, menyebabkan penurunan yang signifikan pada temperatur leleh [6] menurut model Reifenberger [5].
Reaksi di Permukaan Partikel
Pembakaran partikel karbon dapat digunakan sebagai model untuk reaksi permukaan. Oksigen gas dapat disuplai secara merata ke permukaan partikel dan bereaksi di sana untuk membentukCO2, sebuah produk gas dan karenanya mudah dilepas. Permukaan yang segar dan reaktif dihasilkan oleh reaksi itu sendiri. Partikel karbon berkurang ukurannya hingga sepenuhnya diubah menjadiCO2. Sebaliknya, lapisan permukaan oksida logam yang dihasilkan selama OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi partikel logam menghadirkan lapisan penghalang pasif yang menghalangi akses oksigen ke inti logam di luar ketebalan tertentu, sehingga mencegah konversi kuantitatif (gambar 1).
Hasil Pengukuran
Meskipun ukuran partikelnya sebanding (~50 nm), berbagai jenis Karbon HitamSuhu dan atmosfer (gas pembersih) memengaruhi hasil perubahan massa. Dengan mengubah atmosfer dari, misalnya, nitrogen ke udara selama pengukuran TGA, pemisahan dan kuantifikasi aditif, misalnya, karbon hitam, dan polimer curah dapat dilakukan. karbon hitam menunjukkan perilaku pembakaran yang sangat berbeda, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2. Perbedaan tersebut kemungkinan besar disebabkan oleh perbedaan porositas bahan, yang memengaruhi luas permukaannya. Dengan demikian, ukuran partikel saja hanya merupakan penentuan kasar perilaku OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi.
Pelepasan Produk Reaksi Gas
Meskipun Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. reaksi penguraian tidak memerlukan reaktan gas tambahan, reaksi ini sangat dipengaruhi oleh proses transportasi. Meskipun luas permukaan tidak terlalu penting dalam hal ini, jarak yang harus ditempuh oleh gas yang dilepaskan dari bagian dalam ke permukaan partikel melalui pori-pori atau saluran tergantung pada ukuran partikel. Oleh karena itu, proses ini jauh lebih efisien untuk partikel yang sangat small kecil.
Contoh CaCO3 (Gambar 3) dan goethite (Gambar 4) mengilustrasikan pengaruh ukuran partikel yang lebih kecil dalam menurunkan temperatur di mana material terurai dengan pelepasanCO2 atauH2O[6]. Hasil termogravimetri menunjukkan bahwa stoikiometri gas yang dilepaskan tidak terpengaruh oleh variasi ukuran partikel.
Analisis termokinetik dari dehidrasi α-FeOOH (goethite) menjadi α-Fe2O3 (hematite) menunjukkan bahwa model kinetik formal untuk reaksi tersebut lebih sederhana untuk partikel small dibandingkan dengan partikel large. Pengukuran pada tingkat pemanasan yang berbeda dimodelkan dengan proses reaksi yang terdiri dari dua langkah orde ke-n yang berurutan dan energi aktivasi 150 kJ/mol [7]. Kuantifikasi langkah-langkah kehilangan massa antara 120°C dan 350°C mengkonfirmasi nilai yang diharapkan untuk konversi stoikiometri goethite menjadi hematite. Laju kehilangan massa (DTG) - ditunjukkan dengan garis putus-putus - menunjukkan bahwa puncak reaksi bergeser ke temperatur yang lebih rendah dengan ukuran partikel yang lebih kecil. Foto pada gambar 4 menunjukkan perubahan penampilan sampel goethite dengan berbagai ukuran partikel.
Sintering
Efek yang bergantung pada ukuran partikel yang diamati selama SinteringSintering adalah proses produksi untuk membentuk bodi yang kuat secara mekanis dari serbuk keramik atau logam. sintering pelet serbuk yang ditekan tidak dapat dijelaskan dengan peningkatan luas permukaan saja (gambar 5). Berbeda dengan perilaku peleburan, efek ukuran partikel pada SinteringSintering adalah proses produksi untuk membentuk bodi yang kuat secara mekanis dari serbuk keramik atau logam. sintering terjadi pada dimensi seperti large sebagai kisaran mikrometer. Pengurangan yang signifikan pada temperatur SinteringSintering adalah proses produksi untuk membentuk bodi yang kuat secara mekanis dari serbuk keramik atau logam. sintering terjadi dengan variasi ukuran partikel yang relatif small.
Jumlah titik kontak antara partikel bola meningkat jauh lebih cepat daripada rasio permukaan-ke-volume (gambar 6 dan 7). Untuk meningkatkan aktivitas SinteringSintering adalah proses produksi untuk membentuk bodi yang kuat secara mekanis dari serbuk keramik atau logam. sintering, titik kontak antara partikel adalah penting. Partikel-partikel berdiameter mulai dari 10 μm hingga 130 nm dihasilkan dengan menggiling material dengan sistem beat mill NETZSCH ZETA® RS4.
Gambar 8 menunjukkan ketergantungan aktivitas SinteringSintering adalah proses produksi untuk membentuk bodi yang kuat secara mekanis dari serbuk keramik atau logam. sintering pada ukuran partikel untuk BaTiO3. Suhu SinteringSintering adalah proses produksi untuk membentuk bodi yang kuat secara mekanis dari serbuk keramik atau logam. sintering 1108 ° C untuk partikel terkecil (suhu onset ekstra-polimer) hampir 100 K lebih rendah daripada suhu SinteringSintering adalah proses produksi untuk membentuk bodi yang kuat secara mekanis dari serbuk keramik atau logam. sintering partikel yang lebih besar (1205 ° C).
Ringkasan
Dengan bantuan pengukuran termoanalitik, dapat ditunjukkan bahwa ukuran partikel memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kinetika dan, oleh karena itu, ketergantungan suhu proses seperti dehidrasi, dekomposisi, pembakaran, dan SinteringSintering adalah proses produksi untuk membentuk bodi yang kuat secara mekanis dari serbuk keramik atau logam. sintering. Oleh karena itu, preparasi sampel, khususnya ukuran partikel, merupakan parameter penting yang perlu dipertimbangkan ketika menginterpretasikan hasil pengukuran.
Metode analisis termal menawarkan cara yang relatif mudah dan cepat untuk mengukur efek ukuran partikel pada sifat sampel.