Factors of influence in the Mechanical Activation of Materials
Pablo Eusebio Hernández Mendoza*, 1, Claudia Magdalena López Badillo1, Lorena Farías – Cepeda1
1Maestría en Ciencia y Tecnología de los Materiales, Cuerpo Académico de Materiales Cerámicos y Cuerpo Académico de
Ingeniería Química, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Coahuila,
Boulevard Venustiano Carranza, C.P. 25280. Saltillo, Coahuila, México.
* pablohernandezmendoza@uadec.edu.mx
| Resumen
La activación mecánica de los materiales es un método eficaz para la síntesis de materiales y/o la obtención de las mezclas precursoras las cuales son posteriormente tratadas a temperaturas más bajas que las utilizadas convencionalmente, sin embargo, para una favorable activación mecánica es importante conocer los factores fundamentales que influyen en una molienda, los cuales permiten el éxito de la activación mecánica. Palabras clave: Activación Mecánica, Cerámicos, Materiales, Molienda, PCA. |
| Abstract
The mechanical activation of the materials is an effective method for the synthesis of materials and / or the preparation of precursor mixtures which are subsequently treated at lower temperatures than the conventional ones used, however, for a favorable mechanical activation it is important to know the fundamental factors that influence the milling, which allow the success of the mechanical activation. Keywords: Mechanical Activation, ceramics, Materials, Milling, PCA. |
Introducción
Actualmente, una gran cantidad de materiales cerámicos y metales han sido producidas eficientemente mediante activación mecánica (Baláz, 2008; Soni, 2001). El tratamiento mecánico de los sólidos mediante una molienda intensa ha sido aplicado con diversos propósitos, que incluyen el aleado mecánico de polvos metálicos y de polvos cerámicos, la síntesis de compuestos, transformaciones de fases y la aceleración de reacciones químicas (Gashri- Khouzani y col., 2009). La activación mecánica puede ser considerada como un proceso de pasos múltiples, con cambios en los parámetros energéticos y la cantidad de energía acumulada de los sólidos en cada paso, donde los procesos de acumulación de defectos, la amorfización, la
formación de formas polimórficas metaestables, y la reacción química, están unidos por la activación mecánica a largo plazo (Baláž, 2008; Juhász 1998). Sin embargo, hay diversos factores que afectan la operación del proceso de molienda, por lo cual surge la importancia de conocer las variables o principales factores que influyen el proceso de activación mecánica de unamezcla.
Estado del arte
En la actualidad se han descrito y desarrollado métodos para las síntesis de compuestos cerámicos para diversas aplicaciones, como lo son la activación mecánica, coprecipitación, microemulsión, coprecipitación homogénea, resinas Pechini, sol-gel y síntesis hidrotérmica (Morós, Badenes, García, & Tena, 2003). La activación mecánica es un proceso que implica el aumento de capacidad de reacción sin alterar las sustancias (Ostwald, 1909), la activación mecánica es un método eficaz para mejorar el contacto y la interacción de los reactivos para la disminución de su tamaño de partícula y el aumento de su homogeneidad mediante el proceso de molienda, lo que facilita la formación de nuevas fases en tratamientos térmicos posteriores. Este proceso puede producir rangos de tamaño en la escala nanométrica (Ashrafi y col., 2015).
Cuando la activación mecánica implica un cambio en la composición o en la estructura se le llama activación mecanoquímica. El término mecanoquímica fue utilizado en los primeros trabajos de Ostwald y los comparó con diferentes puntos de vista en otras ramas como la fisicoquímica, termoquímica, electroquímica o fotoquímica (Ostwald, 1909). Las reacciones mecanoquímicas fueron documentadas mucho tiempo atrás, al observar reacciones químicas bajo la influencia de uno o más tipos de acciones mecánicas. La mecanoquímica fue desarrollándose de manera sistemática con los efectos de la alta presión y temperatura, esto promovió el estudio sobre la proporción del estado sólido y las transiciones comenzando así la ciencia de los materiales, potenciando los procesos mecánicamente activados para la síntesis de materiales (Xue, Zhou, & Wang, 2004).
Esta activación puede ser llevada con diferentes aparatos como el molino atritor, molino SPEX, molino planetario o un molino de bolas horizontal. Cualquiera que sea el equipo, los principios son los mismos, porque los polvos en dependen de la activación y condiciones empleadas en ésta; los materiales blandos normalmente tienen alta tenacidad y por lo tanto son más difíciles de ser fracturados, se cree que la clave está en seleccionar la energía de impacto correcta para el proceso.
Las bolas de molienda aplican una fuerza de mezclado por la alta energía de colisión entre ellas durante la molienda. En el proceso, usualmente se utiliza una atmósfera inerte. Esta técnica es una forma alterna para producir metales y polvos cerámicos por reacción en estado sólido. La aleación mecánica es un proceso en estado sólido y se usa un iniciador de mezcla para no tener inconvenientes de bajas y altas temperaturas en los elementos (Lü y col.,1998).
Molinos de Alta Energía
Para llevar a cabo la activación mecánica por molienda, se utilizan diferentes tipos de molinos de alta energía los cuales difieren en su diseño, capacidad, eficiencia de molienda y dispositivos adicionales para enfriamiento y calentamiento (Suryanarayana, 2001). Los molinos de alta energía más usados son los siguientes:
El molino planetario está diseñado para trabajar con grandes cantidades de polvo por lote, los viales del molino están diseñados específicamente para rotar alrededor de sus propios ejes. La fuerza centrífuga es producida por la rotación de los viales dentro de sus ejes, generados por el disco de soporte: los viales contienen bolas de activación. La fuerza centrífuga es alternada en direcciones opuestas, la cual es producida por los viales y el soporte de disco rotando en direcciones opuestas. Esto permite que las bolas de activación se muevan dentro del vial, generando un efecto de fricción y, al mismo tiempo, las bolas de activación se despegan para moverse libremente en la cámara interior de los viales (Xue y col.,2004).
El molino atricionador, es un molino de bolas capaz de generar alta energía. Consiste en una cámara de molienda cilíndrica con un eje de accionamiento que tiene impulsores múltiples que sobresalen de los ejes giratorios. Un poderoso motor hace girar las propelas, las cuales agitan las bolas en el contenedor. La operación del molino atricionador es simple, la mezcla es agitada por un eje con propelas, girando a una alta velocidad de aproximadamente 1750 rpm; esto hace que el medio de molienda ejerza fuerzas de impacto y corte en el material. El molino de atrición trabaja 10 veces más rápido que los molinos de bolas convencionales (Suryanarayana, 2001).
El molino Spex, es un molino con un vial el cual oscila en diferentes ejes a altas frecuencias, usualmente la carga no es mayor a los 10 g, con 3 bolas en dirección perpendicular a una velocidad de 1200 rpm (Sherif, 2015). Este método es una alternativa a los métodos sintéticos convencionales ya que produce materiales avanzados incluyendo bromuros, carburos, nitruros, carbonitruros, hidruros, siliciuros y otros compuestos intermetálicos en un corto periodo de proceso de molienda (Ebrahimi-Kahrizangi, 2014).
El molino Simoloyer®, es un molino rotatorio horizontal de alta energía, este tipo de molinos proporcionan la más alta velocidad relativa de molienda, la cual conduce a un alto nivel de transferencia de energía cinética hacia el material (Kaupp y col., 2004) a los viales del sistema de los molinos Simoloyer®, que están diseñados para trabajar a menos de 10-2 Pa. El molino Simoloyer® también disminuye las zonas muertas, en este tipo de molinos no se generan depósitos favoreciendo la interacción con todo el material (Wank, 2003).
Parámetros de Procesamiento
El procesamiento de molienda mecánica se ve afectado por una serie de parámetros como lo son:
Energía de impacto: depende del molino, la densidad y el tamaño de las bolas. A altas energías de molienda aumenta el grado de cristalización y con bajas energías se produce amorfización en el material (Hashimoto y col., 1990; Gaffet, 1991; Gerasimov, 1991).
Tamaño de las bolas: este parámetro afecta al tamaño, la morfología, la temperatura de recristalización y la entalpía del polvo producido (Soni, 2001).
Proporción bolas-carga: Este parámetro reduce el recorrido del libre movimiento del material, si existe una baja proporción de bolas-carga se minimiza la frecuencia de colisión. Para una proporción eficaz de bolas: carga se encuentra una relación de 5 a 30. Para aumentar los casos de amorfización, se debe aumentar la proporción de polvos en la carga, sin embargo, también aumenta la contaminación debido al medio de molienda (Hashimoto, 1990; Lasonna y col., 1996).
Velocidad de molienda: las velocidades de rotación bajas conducen a periodos largos de molienda y provocan una homogeneidad en los polvos debido a que la energía de la cinética es inadecuada, el aporte de calor localizado es insuficiente, lo que nos llevaría a tiempos muy largos para obtener polvos homogéneos. Las velocidades altas también pueden conducir a un calentamiento excesivo, lo que provoca que las bolas se desgasten causando contaminación en el medio y menores rendimientos (Rao, 1989; Rao,1986).
Temperatura: la temperatura del medio ambiente es un factor importante para la influencia de la estructura final, cuando es un efecto de amorfización la mezcla tiene una entalpía negativa, cuando la temperatura del ambiente incrementa la temperatura de amorfización también se verá incrementada (Soni, 2001; Lee y col., 1991).
Atmósfera: la mayoría de las moliendas se realizan en atmósferas inertes, ya que un poco de contenido de O2 o H2O puede tener gran influencia en el producto final (Koch y col., 1983; Wang y col., 1992).
La contaminación por desgaste de la cámara de molienda y de las bolas pueden influir en la transformación de estados amorfos (Soni, 2001; Weeber y col., 1988). Para evitar la contaminación debido al desgaste del contenedor, así como del medio de molienda, se ha hecho uso de agentes de control de proceso (PCA), para influir en el productofinal.
Agentes de Control de Proceso (PCA)
Se pueden llevar a cabo moliendas en presencia de aire o gases reductores, un PCA, también referido como lubricante o surfactante. Algunas veces es añadido a las mezclas de polvos durante la molienda para prevenir o minimizar aglomeraciones entre las partículas de polvo y/o con el contenedor y medio de molienda; éstos pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos (López, 2013). Un agente de control de proceso es un aditivo en la superficie utilizada en el proceso de molienda con el fin de controlar el equilibrio entre la fractura y la interacción de las partículas (Canakci, 2013). Dado que la mayoría de los PCA son compuestos orgánicos, tienen puntos de fusión y de ebullición bajos, que se descomponen durante la molienda debido al calor generado. Los productos de descomposición son carbono, óxidos, nitruros y fosfatos que reaccionan con el material (Suryanarayana, 2001). En la Tabla 1 se muestra una lista parcial de PCAs usados en diferentes investigaciones y sus cantidades, los cuales interactúan con el polvo y forman compuestos intersticiales, y estos se incorporan en la forma de inclusiones y/o dispersores en las partículas de polvo durante la molienda.
Tabla 1. Ejemplos de agentes de control de proceso y cantidades usadas en diferentes investigaciones. (Suryanarayana, 2001)
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Cnclusión
La activación mecánica es un método sencillo de síntesis y/o procesamiento de materiales cerámicos, metálicos o compositos, ya que se pueden obtener mezclas precursoras para formar posteriormente los compuestos deseados, disminuyendo las temperaturas de tratamiento térmico final; sin embargo, son diversas las variables de molienda (relación bolas: carga, tipo de molino, temperatura, velocidad de molienda, etc.) que se tienen que tomar en cuenta, ya que de eso dependerá el éxito de la activación mecánica y esto está directamente relacionado con la naturaleza del material.
Agradecimientos
Se agradece el apoyo de la beca otorgada por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT), No. 785079 y el apoyo de la Maestría en Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad Autónoma de Coahuila.
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