Nanomalzemeler Nanotozlar benzersiz mekanik, optik, termal, elektriksel, manyetik, adsorpsiyon, gaz algılama ve diğer özelliklere sahiptir. Nanotozların geleneksel malzemelere entegre edilmesi, performanslarını önemli ölçüde artırabilir veya beklenmedik özellikler kazandırabilir.
21. yüzyılda, üretim ve günlük yaşamdaki hızlı gelişmeler, malzemeler için yeni talepler ortaya koymuştur. Yeni malzemelerin inovasyonunda, nanomalzemelerin araştırma ve geliştirilmesi çok önemli bir rol oynamaktadır. Toz endüstrisindeki birçok toz, nanoteknolojiye doğru ilerlemektedir. Bununla birlikte, pratik uygulamalarda, nanopartiküllerin küçük boyutu ve yüksek yüzey aktivitesi, onları kümelenmeye yatkın hale getirmektedir. Büyük agregatlar, nano tozların kullanımını ve ilgili nano malzemelerin hazırlanmasını ciddi şekilde engelleyebilir.
Nanoparçacıklarda Van der Waals ve Coulomb kuvvetlerinin bulunması nedeniyle, katı ultra ince arıtma işlemi, küçük parçacıkların iç bağlayıcı kuvvetlerinin sürekli olarak kırılmasını içerir. Bu, sistemin toplam enerjisini artırır. Bu nedenle, termodinamik açıdan bakıldığında, toz parçacıkları arasındaki etkileşim Van der Waals ve Coulomb kuvvetleri tarafından yönetilir. Bu da nanoparçacıkların kümelenmesine yol açar. Nanoparçacık kümelenmesinin iki ana türü vardır: yumuşak kümelenme ve sert kümelenme.
Yumuşak topaklanma genellikle kimyasal işlem veya mekanik etkiyle giderilebilir. Ancak, sert topaklanma yalnızca genel kimyasal reaksiyonlarla çözülemez. Bunun nedeni parçacıklar arasındaki sıkı bağdır. Depolimerizasyon için yüksek güçlü ultrason veya bilyalı öğütme gibi mekanik yöntemler kullanılmalıdır. Bu yöntemler, topaklanma meydana geldikten sonra alınan düzeltici önlemlerdir. Uygulamada, nanopowder'ların işlenmesi sırasında yüzey aktif maddelerin kullanılması, sert topaklanmayı önlemede genellikle daha etkilidir.
Şu anda piyasadaki birçok nano kalsiyum karbonat ürünü hem nano hem de mikro parçacıklar içermektedir. Bu ürünler gerçek nano standartlarını (1-100 nm) karşılayamamaktadır. Bunun temel nedeni, nano parçacıkların daha büyük parçacıklar halinde kümelenmesine neden olan şiddetli toz topaklanmasıdır.
1. Nanoparçacık Agregasyonunun Nedenleri
Nanotozların kümelenmesi olarak adlandırılan olay, orijinal nanotoz parçacıklarının birbirine bağlanarak birden fazla parçacıktan oluşan büyük parçacık kümeleri oluşturması olgusudur. Genellikle hazırlama, ayırma, işleme ve depolama sırasında meydana gelir. Bu durum genel olarak yumuşak kümelenme ve sert kümelenme olarak ikiye ayrılır.
Nanotozların kümelenmesi ve dağılımı, morfolojilerine ve yüzey yapılarına bağlıdır. Bu özellikler, iç yapı, safsızlıklar, yüzey adsorpsiyonu ve kimyasal reaksiyonlar, hazırlama süreçleri, çevresel koşullar ve diğer faktörlerden etkilenir. Bu durum, nanotoz kümelenme ve dağılım mekanizmalarının karmaşıklığına ve çeşitliliğine yol açar.
2. Nano Tozların Topaklanmasının Çözüm Yöntemleri
Nanotozların hazırlanması ve uygulanmasında, dağılabilirlik, aktivite, uyumluluk ve fonksiyonel performans gibi sorunları gidermek için yüzey modifikasyon işlemleri kullanılır. Bu işlemler genel olarak üç kategoriye ayrılır:
1. Dağılım işlemi (dağılabilirliği iyileştirmek için)
2. Aktivasyon tedavisi (aktiviteyi ve uyumluluğu artırmak için)
3. Parçacık kompozit işlemi (işlevselliği artırmak için).
Bunlara topluca yüzey modifikasyon işlemleri denir.
Geleneksel nanopowder'ların yüzey modifikasyonu için çok sayıda yöntem mevcuttur ve sınıflandırmalar çeşitlilik göstermektedir. Temel prensip, nanopowder'ların yüzeyine fiziksel ve kimyasal işlemler uygulanmasını içerir. Yaygın teknikler arasında yüzey adsorpsiyonu, yüzey kaplama ve yüzey aşılama yer alır. Tüm modifikasyonlar nanopartiküllerin yüzeyine uygulanır. Başlıca yöntemler arasında kaplama modifikasyonu, yüzey kimyasal modifikasyonu, mekanokimyasal modifikasyon, çökelme yüzey modifikasyonu ve daha yeni mikrokapsül modifikasyonu yer alır. Aşağıda bu yöntemlere kısa bir genel bakış sunulmaktadır.
Son araştırmalar, nanopowder'ların sentezlenmesi veya işlem sonrası aşamada işlenmesi durumunda daha iyi sonuçlar elde edildiğini göstermektedir. Bu yaklaşım, parçacıkların oluşumu sırasında yüzeylerine inorganik veya organik kaplamalar uygulanması gibi topaklanmayı önleyici işlemlerin yapılmasını içerir.
Kullanılan teknikler arasında içten ısıtmalı kurutma, organik reaktif yıkama, azeotropik damıtma ve kademeli kurutma yer almaktadır. Ayrıca, hidrotermal ve solvotermal sentez gibi nanopowder sentezleme için yeni süreçlerin seçilmesi ve tasarlanması, dağılım sorunlarını çözmek için etkili bir stratejidir.
Bu yöntemler, yüksek sıcaklıkta bozunma veya dönüşüm sırasında nanopowder'ların yüzeyinde atomik difüzyon bağının neden olduğu sert topaklanmayı önleyerek, hidrotermal sentez yoluyla istenen fazın doğrudan oluşumunu sağlar. Hidrotermal yöntemlerle elde edilemeyen nanopowder malzemeleri için oleorezin solvotermal yöntemi kullanılır. Bununla birlikte, hidrotermal yöntemler yüksek sıcaklık ve basınç gerektirir, bu da özel ekipman gerektirir, üretim maliyetlerini artırır ve güvenlik riskleri oluşturur.
Nanotozların yüzey özelliklerini ve dağılabilirliğini iyileştirmeye yönelik çeşitli yöntemler aşağıda açıklanmıştır:
1) Kaplama Yöntemi
Kaplama modifikasyonu, tozların yüzeyini polimerler veya reçinelerle "kaplayarak" yüzey modifikasyonu elde etmeyi içeren eski ve geleneksel bir yöntemdir. Örneğin, SiO₂'nin polivinilpirolidon veya furan reçinesi gibi yüzey aktif maddelerle kaplanması, polimer bazlı malzemelerle uyumluluğunu artırır.
2) Tortul Değişim
Bu yöntem, TiO₂, SiO₂, CaCO₃ ve diğer inorganik tozların yüzey modifikasyonu için yaygın olarak kullanılır. Modifiye edilmiş tozun yüzeyine ürünlerin birikmesini sağlayan kimyasal reaksiyonları içerir ve son derece ince bir kaplama tabakası oluşturur. Bu tabaka, nanopowder'ın yüzey özelliklerini belirli uygulama gereksinimlerini karşılayacak şekilde değiştirir.
3) Mikrokapsül Modifikasyonu
Mikrokapsül modifikasyonu, modern ilaç alanında ilk olarak ilaçların ultra ince tozları için sürekli salınım etkisi elde etmek amacıyla benimsenen yeni bir teknolojidir. Bu yöntem, ultra ince parçacıkların yüzeyine düzgün ve kalın bir film tabakası kaplamayı içerir. Mikrokapsüllerde, kaplanmış toz (veya mikro damlacıklar) genellikle çekirdek madde olarak adlandırılırken, dış zarf ise membran madde olarak adlandırılır.
Membran, çekirdek malzemenin çözünme, salınım, buharlaşma, renk değişimi, bileşen göçü, karışma veya diğer maddelerle reaksiyon hızı ve süresini kontrol ve düzenleme işlevi görür. İzolasyon kontrolü ve düzenlemesi için bir "vana" görevi görerek, gerektiği gibi depolama ve saklamaya olanak tanır ve ayrıca toksik veya zararlı maddeleri gizleyebilir. Tipik olarak, mikro kapsüllerin çapı 0,5 ila 100 nm arasında değişir ve membran duvar kalınlığı yaklaşık 0,05 ila 10 nm'dir. Mikro kapsül hazırlama yöntemleri arasında kimyasal, fiziksel ve fiziko-kimyasal teknikler bulunur.
4) Yüzey Kimyasal Modifikasyonu
Yüzey kimyasal modifikasyonu, organik moleküllerdeki fonksiyonel grupların, inorganik parçacıkların (dolgu maddeleri veya pigmentler) yüzeyine adsorbe edilmesi veya kimyasal olarak reaksiyona girmesi yoluyla gerçekleştirilir. Bu, parçacık yüzeyinin organikleşmesine ve yüzey modifikasyonunun sağlanmasına yol açar. Modifiye edici maddelerin seçimi, çözücü tipinin, dağıtım yönteminin ve yüzey modifiye edici maddelerin kombinasyonunun seçilmesini içerir. Kaplama (yani kimyasal modifikasyon) etkisini iyileştirmek ve kullanılan yüzey modifiye edici madde miktarını azaltmak için, modifiye edici maddenin homojen bir şekilde dağılması sağlanmalıdır.
Bu, uygun çözücü seyreltme, emülsifikasyon, püskürtme ilavesi ve diğer yöntemlerle elde edilebilir. Nanotoz yüzey özelliklerinin homojen olmaması nedeniyle, bazen iki değiştiricinin kombinasyonu tek bir değiştirici kullanmaktan daha etkili olabilir. Örneğin, kalsiyum karbonatın yüzey modifikasyonu için titanyum ester bağlayıcı ajanların stearik asit bağlayıcı ajanlarla birleştirilmesi, yalnızca modifikasyon etkisini iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda gerekli titanyum ester bağlayıcı ajan miktarını da azaltarak üretim maliyetlerini düşürür.
5) Mekanokimyasal Modifikasyon
Mekanokimyasal modifikasyon, nanopowder ve yüzey değiştiricilerin (veya kaplama veya kompozit için kullanılan daha ince başka bir nanopowder'ın) mekanik etki yoluyla aktive edilmesini içerir. Bu, arayüzleri arasında kimyasal reaksiyonları teşvik ederek kimyasal modifikasyona ve yüzey değiştirici ile modifiye edilmiş nanopowder arasında artan bir bağlanma kuvvetine yol açar.
6) İçten Isı ile Kurutma Yöntemi
Tozların katı-sıvı ayırma işlemi sırasında parçacıklar arasında oluşan kimyasal bağların sert kümelenmesinde kılcal etki önemli bir faktördür. Islak toz kümelerinin yüzeyindeki ortamı buharlaştırmak için sıradan dış ısıtma kullanılır ve bu da kümelerin içindeki sıvının kılcal damarlar yoluyla yüzeye taşınmasına neden olur. Bu süreç, parçacıklar arasındaki kılcal etkiden kaçınılmaz olarak etkilenir. Kızılötesi ısıtma ve mikrodalga ısıtma gibi iç ısıtma yöntemleri, parçacıklar arasındaki kılcal etkiyi azaltabilir ve nanopartiküllerin sert kümelenmesini en aza indirebilir. Bunun nedeni, ortamın buharlaşmasının dış kılcal kuvvetlerden etkilenmek yerine ıslak kütlenin içinde gerçekleşmesidir.
7) Organik Temizlik Yöntemi
Nanoparçacıkların sert topaklanması genellikle parçacıklar ve yüzeylerindeki hidroksil grupları arasındaki kimyasal bağlardan kaynaklanır. Bu nedenle, nanoparçacıkların yüzeyine bağlı hidroksil gruplarının uzaklaştırılması, toz topaklanmasını azaltabilir. Organik temizleme yöntemi, özellikle oksit tozlarında sert topaklanmayı etkili bir şekilde giderir. Tipik olarak, ıslak jel veya nanotoz, susuz etanol veya diğer organik reaktiflerle birden fazla kez yıkanır, ardından dağılmış nanotoz elde etmek için kurutulur.
Bu mekanizma, koloidal parçacıkların yüzeyindeki bazı köprü oluşturmayan hidroksil gruplarının organik reaktif fonksiyonel gruplarıyla değiştirilmesini içerir. Bu değişim, sterik engelleme sağlar ve bitişik parçacık yüzeyi metal iyonları arasında dehidrasyon ve köprü oluşturmayan hidroksil gruplarının bağlanması yoluyla kimyasal bağ oluşma olasılığını azaltarak sert kümelenmeyi ortadan kaldırır. Bu yöntem, Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂ ve TiO₂ gibi nanopowder'ların jel sol yöntemiyle hazırlanmasında yaygın olarak kullanılmaktadır.
8) Azeotropik Damıtma Yöntemi
Islak malzeme kurutma işleminde, sudan daha yüksek kaynama noktasına sahip olan n-butanol ile azeotropik damıtma yöntemi, kolloid içinde azeotroplar halinde hapsolmuş suyun uzaklaştırılmasını en üst düzeye çıkarmak için kullanılır. Bu, sonraki kurutma ve kalsinasyon sırasında sert topakların oluşmasını önler. Araştırmalar, n-butanol'ün fonksiyonel gruplarının kolloid yüzeyindeki -OH gruplarının yerini alarak sterik engelleme sağladığını göstermiştir. Bu yöntem, organik temizlemeye benzer bir mekanizma üzerinde çalışır.
9) Bölümlü Kurutma Yöntemi
Islak kimyasal yöntemlerle sentezlenen çoğu nanopowder için öncelikle tuzlar, hidroksitler ve metal-organik bileşikler gibi öncüller elde edilir. Bu öncüller, nihai nanopowder'ları üretmek için farklı sıcaklıklarda ısıl işleme tabi tutulmalıdır. Yüksek sıcaklıkların nanopowder'ların yüzeyinde moleküler difüzyona ve bağlanmaya neden olmasını, bu durumun parçacıklar arasında karşılıklı yapışmaya ve sert kümelenmeye yol açmasını önlemek için, ısıl işlem sıcaklığını düşürmek, ısıl işlem süresini kısaltmak veya birden fazla kısa süreli ısıl işlem uygulamak önemlidir. Bu yaklaşım, istenen fazı elde etmek için öncüllerin ayrışmasını veya dönüşümünü sağlarken, sert kümelenmenin oluşumunu en aza indirmeye yardımcı olur.
Çözüm
Nanotozların kümelenmesi, bunların hazırlanması ve uygulanmasında önemli bir zorluktur. Kaplama modifikasyonu, çökelme modifikasyonu, mikrokapsül modifikasyonu, yüzey kimyasal modifikasyonu, mekanokimyasal modifikasyon, içten ısıtmalı kurutma, organik temizleme, azeotropik damıtma ve segmentli kurutma gibi çeşitli yüzey modifikasyon teknikleri, bu sorunu çözmek için farklı çözümler sunmaktadır. Her yöntem, nanotoz kümelenmesinin farklı yönlerini hedefleyen benzersiz prensipler ve mekanizmalar üzerinde çalışır.
Bu yöntemler sayesinde araştırmacılar ve üreticiler, nanopowder'ların dağılabilirliğini, aktivitesini ve fonksiyonel performansını artırarak çeşitli uygulamalardaki kullanılabilirliklerini iyileştirebilirler. Bu tekniklerdeki sürekli gelişmeler, nanopowder'ların performansını iyileştirmeye ve optimize etmeye devam ederek, ilaçtan endüstriyel uygulamalara kadar çeşitli alanlarda daha verimli ve etkili malzemelerin geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır.
Nanotozların davranışı ve modifikasyon teknikleri hakkındaki anlayışımız geliştikçe, nanopartikül kümelenmesi sorunlarına daha da gelişmiş çözümler sunan yeni yeniliklerin ortaya çıkması muhtemeldir.
Nanomalzeme üretebilen jet değirmenleriyle ilgileniyorsanız lütfen iletişime geçin. Destansı Daha fazla bilgi için teknik ekiple iletişime geçin.
