파티클 표면에서의 반응
탄소 입자의 연소는 표면 반응의 모델로 사용할 수 있습니다. 기체 상태의 산소가 입자 표면에 고르게 공급되고 그곳에서 반응하여 기체 상태이므로 쉽게 제거할 수 있는 생성물인CO2를 형성할 수 있습니다. 반응 자체에 의해 신선하고 반응성 있는 표면이 생성됩니다. 탄소 입자는CO2로 완전히 전환될 때까지 크기가 감소합니다. 반면 금속 입자가 산화되는 동안 생성되는 금속 산화물 표면층은 일정 두께 이상의 금속 코어에 산소가 접근하는 것을 방해하는 수동적인 장벽층을 형성하여 정량적 전환을 방지합니다(그림 1).
측정 결과
비슷한 입자 크기(~50nm)에도 불구하고 그림 2에서 볼 수 있듯이 카본 블랙의 종류에 따라 연소 거동이 매우 다르게 나타났습니다. 이러한 차이는 표면적에 영향을 미치는 재료의 다공성 차이로 인한 것일 수 있습니다. 따라서 입자 크기만으로는 산화 거동을 대략적으로 파악할 수 있을 뿐입니다.
기체 반응 생성물 방출
분해 반응에는 추가적인 기체 반응물이 필요하지 않지만, 그럼에도 불구하고 운송 과정의 영향을 크게 받습니다. 이 경우 표면적은 중요하지 않지만, 방출된 가스가 기공이나 채널을 통해 입자 내부에서 표면으로 이동해야 하는 거리는 입자 크기에 따라 달라집니다. 따라서 이 프로세스는 입자 크기가 매우 큰 small 입자의 경우 훨씬 더 효율적입니다.
CaCO3 (그림 3) 및 고에타이트(그림 4)의 예는CO2 또는 H2O방출로 물질이 분해되는 온도를 낮추는 데 있어 입자 크기가 작을수록 효과가 더 크다는 것을 보여줍니다 [6]. 열무게 측정 결과는 방출되는 가스의 화학량론이 입자 크기의 변화에 영향을 받지 않는다는 것을 보여줍니다.
Α-FeOOH(고에타이트)에서 α-Fe2O3 (적철광)으로의 탈수에 대한 열역학 분석 결과, 반응의 공식적인 동역학 모델은 large 입자보다 small 입자에 대해 더 단순했습니다. 서로 다른 가열 속도에서의 측정은 두 개의 연속적인 n차 단계와 150kJ/mol의 활성화 에너지로 구성된 반응 과정으로 모델링되었습니다 [7]. 120°C와 350°C 사이의 질량 손실 단계의 정량화는 고에타이트에서 적철광으로의 화학량 론적 변환에 대한 예상 값을 확정합니다. 점선으로 표시된 질량 손실률(DTG)은 입자 크기가 작을수록 반응 피크가 더 낮은 온도로 이동한다는 것을 보여줍니다. 그림 4의 사진은 다양한 입자 크기에 따른 흑철석 샘플의 외관 변화를 보여줍니다.
소결
압축 분말 펠릿의 소결 중에 관찰되는 입자 크기 의존적 효과는 표면적 증가만으로는 설명할 수 없습니다(그림 5). 용융 거동과 달리 소결에 대한 입자 크기 효과는 마이크로미터 범위의 large 크기에서 발생합니다. 소결 온도의 현저한 감소는 입자 크기가 상대적으로 small 변화할 때 발생합니다.
구형 입자 사이의 접촉점의 양은 표면 대 부피 비율보다 훨씬 빠르게 증가합니다(그림 6 및 7). 소결 활동의 증가를 위해서는 입자 사이의 접촉점이 중요합니다. 직경 10μm ~ 130nm 범위의 입자는 NETZSCH ZETA® RS4 비트 밀 시스템으로 재료를 연마하여 생성되었습니다.
그림 8은 BaTiO3의 입자 크기에 따른 소결 활성 의존성을 보여줍니다. 가장 작은 입자의 소결 온도 1108°C(엑스트라 폴링 개시 온도)는 더 큰 입자의 소결 온도(1205°C)보다 거의 100°C 낮습니다.
요약
열분석 측정을 통해 입자 크기가 탈수, 분해, 연소 및 소결과 같은 공정의 동역학 및 온도 의존성에 중요한 영향을 미친다는 사실을 입증할 수 있습니다. 따라서 시료 준비, 특히 입자 크기는 측정 결과를 해석할 때 고려해야 할 중요한 매개변수입니다.
열 분석 방법은 입자 크기가 시료 특성에 미치는 영향을 비교적 쉽고 빠르게 측정할 수 있는 방법을 제공합니다.