Over de invloed van de deeltjesgrootte op het thermische gedrag van anorganische poeders

Smelten

Variatie in deeltjesgrootte in het milli- en micrometergebied heeft volgens Schmid [4] geen significante invloed op het smeltgedrag van deeltjes. Voor bolvormige deeltjes met diameters groter dan 50 nm vormen de deeltjes aan het oppervlak minder dan 6% van de bulk en hebben daarom een verwaarloosbaar effect. Voor kleinere deeltjes (r < 25 nm) neemt het percentage coördinatief onverzadigde deeltjes nabij het oppervlak toe, wat een significante daling van de Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur veroorzaakt [6] volgens het Reifenberger model [5].

Reacties aan het deeltjesoppervlak

De verbranding van koolstofdeeltjes kan worden gebruikt als model voor een oppervlaktereactie. De gasvormige zuurstof kan gelijkmatig worden toegevoerd aan het deeltjesoppervlak en reageert daar om_CO2 te vormen, een gasvormig en dus gemakkelijk te verwijderen product. Een vers, reactief oppervlak wordt gegenereerd door de reactie zelf. Het koolstofdeeltje neemt in grootte af totdat het volledig is omgezet in_CO2. Daarentegen vormt de metaaloxide-oppervlaklaag die ontstaat tijdens de OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie van metaaldeeltjes een passieve barrièrelaag die de zuurstoftoegang tot de metalen kern voorbij een bepaalde dikte verhindert, waardoor kwantitatieve omzetting wordt voorkomen (figuur 1).

Meetresultaten

Ondanks hun vergelijkbare deeltjesgrootte (~50 nm) vertoonden verschillende soorten roet een zeer verschillend verbrandingsgedrag, zoals te zien is in figuur 2. De verschillen zijn waarschijnlijk te wijten aan verschillen in poreusheid van de materialen, die van invloed zijn op hun oppervlak. De verschillen zijn waarschijnlijk het gevolg van verschillen in de poreusheid van de materialen, die van invloed zijn op hun oppervlakten. De deeltjesgrootte alleen is dus slechts een ruwe bepaling van het oxidatiegedrag.

Vrijkomen van gasvormige reactieproducten

Hoewel ontledingsreacties geen extra gasvormig reagens nodig hebben, worden ze toch sterk beïnvloed door transportprocessen. Hoewel het oppervlak in dit geval niet cruciaal is, is de afstand waarover vrijgekomen gassen via poriën of kanalen van het inwendige naar het oppervlak van het deeltje moeten worden getransporteerd afhankelijk van de deeltjesgrootte. Daarom is dit proces aanzienlijk efficiënter voor zeer small deeltjes.

De voorbeelden van _CaCO3 (figuur 3) en goethiet (figuur 4) illustreren het effect van een kleinere deeltjesgrootte op het verlagen van de temperaturen waarbij de materialen ontleden met het vrijkomen van_CO2 of_H2O[6]. De thermogravimetrische resultaten tonen aan dat de stoichiometrie van de vrijkomende gassen niet wordt beïnvloed door variatie in de deeltjesgrootte.

Thermokinetische analyse van de dehydratie van α-FeOOH (goethiet) tot _α-Fe2O3 (hematiet) toonde aan dat het formele kinetische model voor de reactie eenvoudiger was voor de small deeltjes dan voor large deeltjes. Metingen bij verschillende verwarmingssnelheden werden gemodelleerd door een reactieproces bestaande uit twee opeenvolgende ^n-de orde stappen en een activeringsenergie van 150 kJ/mol [7]. Kwantificering van de massaverliesstappen tussen 120°C en 350°C komt overeen met de verwachte waarden voor de stoichiometrische omzetting van goethiet in hematiet. De snelheid van massaverlies (DTG) - aangegeven met stippellijnen - laat zien dat de reactiepiek verschuift naar lagere temperaturen bij kleinere deeltjesgrootten. De foto in figuur 4 toont de verandering in het uiterlijk van de goethietmonsters met variërende deeltjesgrootte.

Sinteren

De deeltjesgrootte-afhankelijke effecten die worden waargenomen tijdens het SinterenSinteren is een productieproces voor het vormen van een mechanisch sterk lichaam uit keramisch of metaalpoeder. sinteren van geperste poederpellets kunnen niet alleen worden verklaard door een groter oppervlak (figuur 5). In tegenstelling tot smeltgedrag treden de effecten van de deeltjesgrootte op SinterenSinteren is een productieproces voor het vormen van een mechanisch sterk lichaam uit keramisch of metaalpoeder. sinteren op bij afmetingen zo large als het micrometergebied. Significante verlagingen van de sintertemperatuur treden op bij relatief small variatie van de deeltjesgrootte.

Het aantal contactpunten tussen bolvormige deeltjes neemt veel sneller toe dan de oppervlakte-volumeverhouding (figuren 6 en 7). Voor de toename in sinteractiviteit zijn de contactpunten tussen de deeltjes belangrijk. Deeltjes met een diameter van 10 μm tot 130 nm werden gegenereerd door de materialen te malen met het NETZSCH ZETA® RS4 walsenmolen systeem.

Figuur 8 toont de afhankelijkheid van de sinteractiviteit van de deeltjesgrootte voor _BaTiO3. De sintertemperatuur van 1108 °C voor de kleinste deeltjes (extra gepoolde begintemperatuur) is bijna 100 K lager dan de sintertemperatuur van de grotere deeltjes (1205 °C).

Samenvatting

Met behulp van thermoanalytische metingen kon worden aangetoond dat de deeltjesgrootte een significant effect heeft op de kinetiek en dus op de temperatuurafhankelijkheid van processen zoals ontwatering, ontleding, verbranding en sintering. Monstervoorbereiding, met name de deeltjesgrootte, is dus een belangrijke parameter om rekening mee te houden bij het interpreteren van meetresultaten.

Thermische analysemethoden bieden een relatief eenvoudige en snelle manier om de effecten van deeltjesgrootte op monstereigenschappen te meten.