纳米分散
纳米分散是指固体颗粒主要存在于纳米范围内的状态。大多数技术性散装物料都是微分散的。这意味着其颗粒尺寸通常在几微米范围内。一微米相当于百万分之一米，写作 10⁻⁶ 米。相比之下，人类头发的平均直径约为 60 微米。
微米级颗粒的粉末通常易于处理。它们可以输送、混合、灌装、倾倒，并且通常也可以可靠地计量。相对于颗粒之间的作用力，重力占主导地位。
如果颗粒尺寸缩小约 1000 倍，则为纳米分散粉末。此时，特征颗粒尺寸在 100 纳米以下。在这个尺寸范围内，物理特性发生根本变化。流动性大幅下降。纳米分散粉末不易倾倒，难以计量。即使干燥时，它们也往往具有粘性。
原因是颗粒间力大幅增加。范德华力、静电相互作用和毛细效应比单个颗粒的重力更占优势。对于球形颗粒，重量力 FG 与颗粒直径 d 的立方成正比，而吸引力 FA 则与颗粒直径近似成正比。简而言之：
FG ∝ d³ 和 FA ∝ d
对于混合过程而言，这意味着必须首先施加机械能来克服粘附力和团聚力。随着颗粒尺寸的减小，分解团聚体所需的剪切能或冲击能会显著增加。传统的重力主导的混合机制会逐渐失去效力。相反，剪切场、局部压力峰值和壁接触会决定混合过程。
纳米颗粒彼此之间以及与设备表面之间具有很强的粘附力。它们具有明显的团聚倾向。团聚的形成在能量上更有利，因为接触会降低自由表面能。驱动力可以通过表面能来描述：
ΔE ≈ γ·ΔA
γ 是比表面能，ΔA 是团聚时减少的表面积。
对于除尘和分离过程，重力微弱的沉降作用至关重要。单个颗粒的沉降速度大致遵循斯托克斯定律，与颗粒直径的平方成正比。纳米颗粒的沉降速度极低。热运动和气流占主导地位。因此，分离机制更多是基于扩散、静电或过滤，而不是重力。
纳米分散颗粒可以在空气中悬浮很长时间。即使是最微小的气流也会导致颗粒再次翻腾并形成粉尘。这对封闭、通风和除尘系统提出了很高的要求。许多纳米分散粉尘可进入肺部。它们可以进入肺泡，因此被认为对健康有害。对工作和爆炸防护的要求也相应地很高。
如果固体以纳米分散形式存在，其物理和机械性能可能与宏观材料截然不同。例如，由纳米颗粒制成的陶瓷材料可能具有更高的韧性或明显的延展性，而粗粒陶瓷则没有这种特性。纳米分散材料可用于开发用于电气工程、化学、航空航天和工程陶瓷领域的高性能材料。通过颗粒大小、界面和组织结构，可以有针对性地调整功能特性。
纳米分散粉末具有极大的比表面积 As。对于球形颗粒，其比表面积与颗粒直径 d 和固体密度 ρ 几乎成反比。
As ≈ 6 / (ρ·d)
该公式是一个近似值，在以下假设下成立：球形颗粒、光滑、无孔表面、颗粒尺寸分布紧密、无团聚体，而是初级颗粒。大表面积导致高反应性、高可燃性，在极端情况下还会导致粉尘爆炸性。将纳米分散粉末分散在液体中是一项特别艰巨的任务。由于粒子间吸引力很强，纳米粒子通常以团聚体形式存在。要获得无团聚体的分散体，必须完全克服这些吸引力。所需的分散能量很高，并且随着比表面积的增加而增加。此外，如果没有静电排斥或立体阻碍等稳定机制，新分离的纳米颗粒在液体中会立即重新聚结。因此，要获得持久稳定、无聚结的分散体，通常需要投入大量的机械能量、使用合适的分散助剂或对颗粒进行有针对性的表面改性。