재료에는 다양한 변화가 발생합니다. 연삭 공정이러한 변화는 거친 분쇄에서는 미미하지만, 높은 분쇄 강도, 긴 분쇄 시간, 그리고 재료 특성의 상당한 변화로 인해 초미세 분쇄에서는 매우 중요합니다. 초미세 분쇄 중 기계적 효과로 인해 발생하는 이러한 현상은 재료의 결정 구조와 물리화학적 특성의 변화를 초래합니다. 이를 분쇄 공정의 기계화학적 효과라고 합니다.
입자 크기 변화
가장 눈에 띄는 변화는 분말 재료 초미분쇄 후 입자 크기가 줄어드는 것은 바로 이러한 현상입니다. 입자 크기에 따라 초미분말은 일반적으로 다음과 같이 구분됩니다.
- 마이크론 스케일(1~30μm)
- 서브마이크론 스케일(0.1–1 μm)
- 나노미터 스케일(0.001–0.1 μm)
결정 구조 변화
초미분 분쇄에서는 강하고 장시간의 기계적 힘이 다양한 정도의 격자 변형을 유발합니다. 결정립 크기가 감소하고, 구조가 무질서해지며, 표면에 비정질 또는 비결정질 상이 형성됩니다. 다결정 변태가 발생할 수도 있습니다. 이러한 변화는 X선 회절, 적외선 분광법, 핵자기 공명, 전자 상자성 공명, 시차열 분석 등의 기술을 사용하여 검출할 수 있습니다.
예를 들어:
- 석영: 석영 결정 구조와 화학 조성 측면에서 가장 단순한 규산염 광물 중 하나입니다. 기계적 에너지에 의해 유도되는 기계화학적 현상에 대해 연구된 최초의 광물 중 하나였습니다. 연구에 따르면 석영을 진동 분쇄기로 분쇄하면 초기에는 입자 크기가 감소합니다. 그러나 장시간 분쇄 후 주요 변화는 응집 및 재결정으로 인한 비정질화입니다. 분쇄 중 비정질층이 형성되면 묽은 알칼리 용액이나 물에서 석영의 용해도가 증가합니다.
- 도토: 카올린, 운모, 활석, 벤토나이트, 일라이트와 같은 층상 규산염 광물은 초미분쇄 과정에서 기계적 활성화에 의해 질서 있는 결정 구조를 잃고 비정질화됩니다. 비정질화는 일반적으로 이러한 광물의 수산기 손실 및 결합 에너지 감소와 관련이 있습니다.
- 방해석: 다결정 변형은 기계적 힘에 의해 유도되는 구조적 변화로, 재료의 화학적 조성에는 영향을 미치지 않습니다. 다결정 변형에는 두 가지 형태가 있습니다.
- 이중상 변환은 일반적으로 가역적이고 흡열적입니다.
- 단상변태, 대부분 비가역적이고 발열성입니다.
방해석은 분쇄 과정에서 마름모꼴 아라고나이트로 변합니다. 이 변태는 실온과 상압에서 가역적입니다. 장시간 분쇄 후에는 방해석과 아라고나이트의 비율이 거의 같아집니다.
- 알루미나 마이크로 파우더: 분쇄 시간이 길어질수록 고순도 알루미나의 결정립 크기는 감소하는 반면, 격자 변형률과 유효 데바이 매개변수는 증가합니다.
화학 성분 변화
일부 재료는 강력한 기계적 활성화로 인해 초미세 분쇄 과정에서 직접적인 화학 반응을 겪습니다. 이러한 반응에는 분해, 기체-고체, 액체-고체, 고체-고체 반응이 포함됩니다.
예를 들어:
- 진공 분쇄기에서 방해석, 마그네사이트, 철 백운석, 장석, 철 스피넬을 분쇄하는 동안 CO₂가 방출됩니다.
- 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 니켈, 구리, 망간, 아연 등의 탄산염은 분쇄 과정에서 분해됩니다.
- 진동 볼 밀에서 분쇄하는 동안 산화 아연과 알루미나가 반응하여 스피넬과 비정질 산화 아연 분말을 형성합니다.
용해도 변화
석영, 방해석, 주석석, 코런덤, 보크사이트, 크롬철광, 자철광, 방연석, 티타노자철광, 화산재, 카올린 등의 재료에 미세 분쇄 또는 초미세 분쇄를 적용하면 용해 속도와 무기산에 대한 용해도가 증가합니다.
소결 특성 변화
미세 또는 초미세 분쇄로 인한 열적 특성의 변화는 주로 다음과 같습니다.
- 분산이 개선되면 고체상 반응이 더 쉬워지고, 소결 온도가 낮아지며 제품의 기계적 특성이 향상됩니다.
- 예를 들어, 진동 분쇄기에서 백운석을 미세 분쇄한 후, 내화재의 소결 온도가 375~573K 낮아지고 재료의 기계적 특성이 향상되었습니다.
- 석영과 장석을 초미분쇄한 후, 에나멜의 소결시간이 단축되고, 세라믹 제품의 강도가 향상되었습니다.
- 결정 구조 변화 및 비정질화 이동 상 전이 온도.
- 예를 들어, α-석영에서 β-석영으로, 석영에서 크리스토발라이트로의 전이 온도는 초미세 분쇄로 인해 변합니다.
양이온 교환 용량 변화
일부 규산염 광물, 특히 벤토나이트와 카올린과 같은 점토 광물은 미세 분쇄 또는 초미세 분쇄 후 양이온 교환 용량에 상당한 변화가 나타납니다.
- 예를 들어, 분쇄 시간이 증가함에 따라 벤토나이트의 양이온 교환 용량은 초기에 증가하다가 감소합니다. 칼슘 이온 교환 용량은 분쇄 시간이 길어질수록 지속적으로 감소합니다.
- 일정 기간 분쇄 후 카올린의 양이온 교환 용량과 교환성이 증가하여 교환 가능한 양이온이 증가함을 나타낸다.
수화 특성 및 반응성 변화
미세 분쇄는 건축 자재 제조에 중요한 수산화칼슘과 같은 재료의 반응성을 향상시킬 수 있습니다. 일부 재료는 수화 반응에 불활성이거나 활성이 부족합니다.
- 예를 들어, 화산재의 수화 활성과 수산화칼슘과의 반응성은 처음에는 거의 0이었지만 볼밀이나 진동밀로 미세하게 분쇄한 후에는 활성이 규조토에 가까운 수준으로 증가했습니다.
- 미세 분쇄는 고로 슬래그의 수화 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 따라서 고강도와 고함량의 슬래그를 동시에 갖춘 시멘트 생산이 가능합니다. 이는 시멘트 산업과 환경 보호에 매우 중요합니다.
전기적 특성 변화
미세 분쇄 또는 초미세 분쇄는 광물의 표면 전기적 특성과 유전 성능에도 영향을 미칩니다. 예를 들어, 흑운모의 등전점과 표면 제타 전위는 충격 분쇄 및 분쇄 후 변화합니다.
밀도 변화
행성형 볼 밀을 사용하여 천연 및 합성 제올라이트를 분쇄하는 연구에 따르면 밀도의 변화가 서로 다른 것으로 나타났습니다.
- 천연 제올라이트의 경우, 밀도는 초기에 감소하다가 분쇄 후 약 120분에 최소값에 도달합니다. 장시간 분쇄 후에는 밀도가 약간 증가하지만 원래 재료보다 낮은 상태를 유지합니다.
- 합성 제올라이트는 짧은 시간 동안 밀도가 감소한 후, 분쇄 시간이 길어짐에 따라 밀도가 증가합니다. 240분 분쇄 후, 시료의 밀도는 분쇄되지 않은 시료의 밀도를 초과합니다.
점토 현탁액과 하이드로젤의 특성
습식 분쇄는 점토의 가소성과 건조 굽힘 강도를 향상시킬 수 있습니다. 반대로, 건식 분쇄는 단시간에 재료의 가소성과 건조 굽힘 강도를 증가시키지만, 장시간 분쇄하면 이러한 특성이 감소합니다.
결론적으로, 재료의 기계화학적 변화에 영향을 미치는 요인에는 원료 특성, 공급량, 분쇄 또는 활성화 시간, 장비 종류, 분쇄 방법, 분쇄 환경, 그리고 첨가제 등이 있습니다. 기계화학적 효과를 연구할 때는 이러한 요인들의 포괄적인 영향을 고려해야 합니다.
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