Skip to main content
amixon GmbHamixon GmbH

Dyfuzja i domieszkowanie materiałów nanostrukturalnych

Homogenizacja poprzez mechanicznie generowane zmiany przestrzeni

 

Ten wpis na blogu dotyczy kwestii, w jaki sposób mieszalnik może zmieniać materiały sypkie poprzez dyfuzję. Proszki mogą być suche, wilgotne lub zawieszone. Urządzenia procesowe amixon® są zaprojektowane do pracy przy wysokich ciśnieniach i temperaturach. Sprzyja to dyfuzji.

W dynamicznie działających maszynach mieszających substancje są homogenizowane poprzez ich przepływ i ścinanie przez narzędzia mieszające. Zadania mieszania mogą mieć różny stopień trudności, w zależności od rodzaju i płynności mieszanych substancji. Wolne od martwej przestrzeni mieszanie nanodyspersyjnych materiałów sypkich stanowi wyzwanie, ponieważ ich właściwości reologiczne są podobne do właściwości lepkich materiałów mokrych.

 

Różnice stężeń są wyrównywane przez dyfuzję

 

Chociaż gazy w zamkniętym naczyniu wydają się być w spoczynku, cząsteczki gazu wykonują minimalne ruchy zygzakowate względem siebie i pobudzają cząsteczki gazu w ich sąsiedztwie. Siła ruchów zygzakowatych i wymiana pędu zależy od panującej temperatury. Te mikroruchy cząsteczek ustają dopiero po schłodzeniu gazu do temperatury zera bezwzględnego, tj. minus 273,15 °C.

Jeśli w pojemniku znajdują się gazy o różnych gęstościach lub temperaturach, homogenizacja zachodzi automatycznie. Różne gazy dyfundują między sobą. Wynika to z wysokiej wydajności dyfuzji gazów. Dyfuzja to transport masy. Wyrównuje różnice w stężeniu, takie jak gęstość, temperatura i ciśnienie.

Ciecze o różnej gęstości również mieszają się automatycznie poprzez dyfuzję, ale ten proces homogenizacji trwa znacznie dłużej niż w przypadku gazów.

Trwa on jeszcze dłużej, gdy ciała stałe dyfundują między sobą.

Prędkość dyfuzji

 

Adolf Fick, niemiecki fizjolog (1829-1921), opisał dyfuzję substancji przez materiał za pomocą dwóch wzorów. Zgodnie z nimi prąd dyfuzji jest proporcjonalny do różnicy stężeń, ale przebiega w kierunku przeciwnym do gradientu stężeń.
Litera J jest często używana w literaturze technicznej do oznaczania gęstości prądu dyfuzyjnego. W układzie SI gęstość prądu dyfuzyjnego jest mierzona w (kg/(m²*s)). Powszechna jest jednak również reprezentacja „moli na metr kwadratowy na sekundę” (mol/(m²*s))..

(1)       J = -D * (ΔC/Δx)    

 

gdzie

J:    przepływ dyfuzyjny (masa lub cząsteczki na powierzchnię i czas)

D:    współczynnik dyfuzji substancji w materiale (m²/s)

ΔC:    różnica stężenia substancji na dystansie ΔC/Δx: gradient stężenia

 

Drugie prawo uwzględnia fakt, że zarówno współczynnik dyfuzji, jak i gradient stężenia zmieniają się w czasie ze względu na przestrzenny rozkład stężenia.

(2)       ∂C/∂t = D * ∇²C

 

gdzie

∂C/∂t:    czasowa zmiana stężenia

∇²c:    operator Laplace'a dla przestrzennej zmiany stężenia

 

 

Można również obliczyć współczynnik dyfuzji D:

D = D0 * e (-Q/(R * T))

 

gdzie

D0:    Stała dyfuzji [m²/s] jest stałą specyficzną dla materiału.

Q:    energia aktywacji [kg *m2/s-2]

R:    ogólna stała gazowa [J/(kg * K)]

T:    Temperatura [K]

 

Bardzo powolny transport masy podczas dyfuzji w ciałach stałych: Współczynnik dyfuzji dla gazów ma wartość około 10-5 m2/s, dla cieczy 10-10 m2/s a dla ciał stałych 10-20  m2/s.

Efektywne formy dyfuzji w ceramice technicznej i metalurgii proszków

 

Dyfuzja odgrywa ważną rolę w metalurgii proszków, gdy różne materiały są wtłaczane do formowanego korpusu w postaci drobno zdyspergowanej. W takim przypadku mówi się o „stopie mechanicznym”.

Tak zwana dyfuzja obca ma miejsce na granicach faz, granicach ziaren i powierzchniach mikrostruktury. Grupy atomowe z obszarów o wyższym potencjale powoli migrują do obszarów o niższym potencjale. Im mniejsze są cząstki mikrostruktury i im silniej są one dociskane do siebie, tym bardziej intensywne są te procesy.

Dyfuzja może być odpowiednią metodą domieszkowania wysokowydajnych materiałów poprzez wprowadzanie obcych atomów do zaburzonych struktur sieciowych. Dyfuzja jest szczególnie silna, gdy gradienty stężenia spotykają się w postaci proszków w nanoskali. Dzieje się tak zwłaszcza na granicach faz i ziaren.

 

 

Dyfuzja jest wtedy szczególnie silna,

  1. jeśli towary są obecne w postaci nanodrobnej dyspersji.
  2. jeśli gradient stężenia jest tak duży, jak to możliwe.
  3. jeśli temperatury procesu są wysokie.
  4. jeśli cząstki o wysokim stężeniu spotykają się z cząstkami o niskim stężeniu tak często, jak to możliwe.
  5. gdy cząstki przesuwają się blisko siebie - bez otaczania ich fazą gazową.
[Translate to Polish:] Beschleunigte Diffusionsprozesse in nanoskaligen Pulvern.

Przyspieszone procesy dyfuzji w proszkach w nanoskali. Duże powierzchnie mają dużą liczbę granic ziaren i granic faz.

Przyspieszona dyfuzja w reaktorze amixon®

 

do 1)

Proces mieszania w reaktorze amixon® zawsze przebiega wydajnie i bez martwych przestrzeni - niezależnie od prędkości narzędzia mieszającego. Właściwości przepływu mieszanych materiałów - suchych, wilgotnych, mokrych lub zawieszonych - nie mają znaczenia. Ponadto precyzyjne mieszanie odbywa się niezależnie od poziomu napełnienia.

do 2)

W reaktorze amixon® składniki mogą być w dowolnym stanie skupienia, aby dyfundować do siebie: suche, ciekłe lub gazowe.

do 3)

Reaktory amixon® mogą podążać za określonymi krzywymi ogrzewania/chłodzenia z dokładnością do kilku dziesiątych Kelvina. Do 350 °C. Obecne dalsze prace nad amixon® zmierzają nawet do ponad 600°C.

do 4)

Proces mieszania bez martwych przestrzeni zapewnia, że cząstki/ciecze lub gazy są stale i losowo w kontakcie ze sobą. Reaktor syntezy amixon® pracuje z nadciśnieniem do 25 barów. (Systemy procesowe amixon® spełniają wymogi prawne TA Luft. Są technicznie szczelne - nawet w wysokich temperaturach i ciśnieniach).

do 5)

Reakcja ciało stałe-ciało stałe / dyfuzja: W aparacie amixon® można wygenerować stromy gradient stężenia poprzez zastosowanie wysokiej próżni. W przypadku jednofazowych mieszanin substancji (bez fazy gazowej) cząstki stałe ocierają się o siebie - nawet w wysokich temperaturach.

Prosimy o zgłaszanie się do nas ze swoimi mieszankami. Z przyjemnością zaprosimy Cię na testy.

Mieszalnik Gyraton ® do homogenizacji dużych partii

 

Wysokowydajne materiały są zazwyczaj przetwarzane w małych partiach. Jeśli weźmiemy pod uwagę, na przykład, produkcję baterii, turbin wiatrowych, komponentów do przesyłu energii lub technologii komunikacyjnych lub instalacji odsalania wody morskiej, materiały te są wymagane w coraz większych ilościach. Jednak te duże masy materiału muszą być jednorodne.

W tym miejscu amixon® może wnieść cenny wkład. Mieszalniki Gyraton® mogą homogenizować duże ilości materiałów sypkich (70 m³) w partiach. Jednak ten sam mieszalnik Gyraton® może również mieszać w sposób ciągły. W obu przypadkach można wyrównać wahania jakości.

Mieszalniki Gyraton® mieszają bez martwej przestrzeni, jednorodnie i niezwykle delikatnie - niezależnie od właściwości materiału sypkiego. Moc napędowa mieszalnika Gyraton® jest bardzo niska. Produkty mogą być nanodyspergowane, aglomerowane, suche, wilgotne lub mokre.

Powrót

© Copyright by amixon GmbH