حالات مواد
در شرایط طبیعی کره زمین مواد به 3 حالت جامد مایع و گاز و در جهان ماده به طور کلی به 5 حالت فوق سرد، جامد، مایع، گاز و فوق گرم(پلاسما) تقسیم میشود. مواد بسیاری در طبیعت که تولید یا فراوری میشود به شکل جامد است اما از نظر فیزیکی ابعاد آن در خواص و نوع ماده موثر است، به این ترتیب مواد جامد در طبیعت به چند مقیاس کلی تقسیم میشوند و در علوم شیمی و فیزیک و متالورژی مورد بررسی قرارمیگیرند. به طور کلی مواد جامد را به عنوان پودر (Powder) یا بالک(Bulk) میشناسیم. به مواد ریز تا چند میلیمتر پودر گفته میشود مانند آرد، پودر رنگ، اکثر ادویه و محصولات عطاری، پودر فلزات، پودر سنگ یا مواد معدنی، پودر مواد آرایشی و بالک به ابعاد بزرگتر مواد گفته میشود همچون شمش فلزات، عموم قطعات صنعتی و سایر مواد که بزرگ تر از پودر هستند.
پودر چیست؟
پودر از دیرباز مورد توجه انسان قرارگرفته است، اولین بار انسان با کشف نمک موجود در آب و سپس با خرد کردن مواد خوراکی مانند دانه ها یا گندم متوجه این شد که خواص مواد پودری متفاوت از مواد بالک است و برای مواد غذایی مورد توجه ویژه ای قرار گرفت. حتی بسیاری از مواد در ابتدا به شکل پودر هستند و با چسبیدن یا فشرده سازی آن در نهایت به شکل بالک در می آید. مواد پودر سطح تماس بیشتری با هوا دارند، از طرفی مانند سیالات در یک ظرف به شکل همان ظرف در میآیند از این جهت قابل شکل گیری هستند. در صنعت ساخت و ساز نیز با استفاده از خاک یا گل میتوان یک شکل مورد نظر را استخراج نمود و این روش تولید از اولین و ساده ترین روش های تولید در صنعت است. امروزه با فشرده سازی پودر میتون موادی که امکان تراش یا بار برداری یا ذوب ندارند را با هر هندسه ای ایجاد نمود، با پیشرفت علم و تکنولوژی و امکان تولید پودر با ابعاد بسیار کوچک تا زیر میکرون (Sub-Micron) تا ابعاد نانو (Nano material) میتوان ساختار های نانو را ایجاد نمود که کاربرد گسترده ای در علم پزشکی داشته است. همچنین در صنعت هوا و فضا، با ریز تر کردن پودر آلومینیوم سطح تماس آن با هوا بسیار بیشتر میشود و با قرارگرفتن در سطح هوا با اکسیژن به سرعت واکنش داده و سوخت جامد را نتیجه میدهد. بدین ترتیب در ادامه برخی مزایای پودر آورده شده است:
- امکان حل کردن در سیالات
- خواص سطحی و فیزیکی بهتر
- امکان شکل دهی به هندسه دلخواه
- جذب در بدن یا واکنش بیشتر با مواد دیگر نسبت به بالک
- حمل و نقل با کیسه و حجم دلخواه
- تقریبا تمام مواد امکان تولید به شکل پودر را دارند از جمله پلیمترها، سرامیک ها، فلزات و حتی کامپوزیت ها.
بدین ترتیب با توجه به خواص و ویژگی های پودر میتوان کاربردهای مختلفی را برای آن ذکر نمود از جمله:
- به دلیل جذب بالا کاربرد در پزشکی، غذا و دارو برای مثال بسیار از مواد دارویی، ادویه و افزودنی ها، مواد غذایی، رنگدانه ها.
- امکان حل کردن پودر در سیالات منجر به استفاده در صنایع رنگ و رزین، افزودنی های شیمیایی شده است.
- استفاده در محصولات آرایشی بهداشتی.
- استفاده برای سوخت موشک جامد.
- در صنایع متالورژی پودر و تولید قطعاتی که امکان ذوب و ریخه گری یا تراش در آن وجود ندارد.
- استفاده از پودر در صنایع پرینت سه بعدی از جمله پرینت سه بعدی در بستر پودر (Powder Bed Fusion)
- استفاده در صنایع ساختمان سازی، سرامیک ها و کامپوزیت ها.
- استفاده در صنایع کشاورژی، بذر و سموم و تقویت کننده ها.
- استفاده در مواد شیمیایی، بهداشتی و شوینده، تونر، واکس و کرم ها.
- استفاده در پلیمرها، رنگدانه های پلیمری، روانسازهای ریخته گری.
- اشتعال پذیری بالاتر منجر به استفاده در مواد جنگنده یا آتش زا شده است.
- در نانو مواد و ساختار های نانو.
- بایوپرینت ها یا ساختار های زیستی و بسیاری از کاربردهای دیگر که روز به روز به آن اضافه میشود.
شاخصههای مواد پودری
برای بیان ویژگی های هر ماده نیاز به شاخصه هایی برای اندازه گیری و مقایسه مواد است. به طور کلی برای مواد پودری 2 مشخصه اصلی فیزیکی و شیمیایی بیان میشود. خواص شیمیایی مواد شامل در صد خلوص ماده، ترکیب شیمیایی ماده، ساختار ملکولی ماده و خواص فیزیکی شامل مورفولوژی یا شکل ماده، اندازه ذرات، توزیع اندازه ذرات که در نهایت خواص فیزیکی و شیمایی منجر به خواص ظاهری یا دیگر خواص میشود از جمله چگالی پودر، واکنش پذیری، انحلال، اشتعال و سایز خواص میشود.
| خواص شیمیایی ماده | خواص فیزیکی پودر | خواص نهایی پودر |
| خلوص | مورفولوژی – شکل | چگالی (ظاهری، ضربه یا ..) |
| ترکیب شیمیایی | اندازه ذرات | سیالیت و نرمی |
| ساختار ملکولی | توزیع اندازه ذرات | انحلال، واکنش و اشتعال پذیری |
خواص شیمیایی پودر
معمولا پودر یا در طبیعت وجود دارد یا توسط فرایندی از مواد بالک یا مایع تولید میشود. بنابر این حین تولید، ریز کردن یا فراوری ماده یا برخی اوقات از همان ابتدا، ناخالصی هایی در ماده وجود دارد که منجر کاهش خلوص ماده اصلی میشود. همچنین بسیاری از مواد به شکل ترکیب با فرمول شیمیایی مشخصی است که لازم است ترکیب شیمیایی و درصد عناصر سازنده حفظ شود. ممکن است مواد بسیاری در طبیعت دارای درصد مشخصی از عناصر باشد اما نحوه قرارگیری آن عناصر کنار هم منجر به خواص متفاوتی شود بنابراین ساختار کریستالی ماده در تعیین نوع و خواص ماده موثر است، برای مثال سیلیس در طبیعت به شکل های گوناگون و در نتیجه با سختی های مختلف وجود دارد. یا کربن در طبیعت به 3 شکل گرافیت، الماس و فولرن باکمینستر با دگرشکل های مختلف است یا با کنار هم قرار گرفتن آهن با دصد خاصی از عناصر دیگر از جمله کربن، کرم، نیکل و … هزاران نوع فولاد تولید میشود که با درصد خاص ولی نوع روش تولید مختلف امکان شکل گیری ساختار های کریستالی مختلف و درنتیجه خواص مختلف وجود دارد.
خواص فیزیکی پودر
حین تولید پودر اندازه پودر و شکل پودر مشخص میشود. بسیاری از مواد در طبیعت به شکل پودر وجود دارند اما میتوان آن هارا جداسازی یا دانه بندی توسط الک (Sieving) از اندازه های مختلف آن استفاده های مختلفی ایجاد شود. برای مثال با الک کردن مواد معدنی میتوان دانه های درشت به شکل دانه شکری، سپس دانه های ریز تر میکرونی و در نهایت دانه های زیر میکرونی را جداسازی نمود که هر کدام خواص سحطی و استفاده های مختلفی داشته باشند. شکل پودر نیز از اهمیت بسیاری خصوصا در مواد فلزی است. شکل کروی از مطلوب ترین شکل های برای پودر در صنایع مختلف است زیرا در این حالت کمترین انرژی سطحی، کمترین سطح تماس، بهترین سیالیت و بهترین کیفیت در محصول نهایی ایجاد میشود به همین دلیل صنعتگران در تلاش برای نزدیک تر کردن مواد خصوصا مواد فلزی پودر به شکل کروی هستند. در این میان اگر جداسازی ذرات انجام شود ممکن است در یک نمونه پودر یک بازه از اندازه ذرات وجود داشته باشد که معمولا نمودار آن به شکل زنگوله است و در واقع توزیع اندازه ذرات از میزان کمینه تا بیشینه به صورت گوسی متغیر است و نقطه مرکزی آن بیانگر میانگین اندازه اسمی ذرات است اما هرچه این نمودار باریکتر باشد نشان دهنده دقت و کیفیت بهتر این ماده است اما ممکن است در کاربردی لازم باشد طیف وسیعی از اندازه ذرات کنار هم باشند تا خواص مطلوب ایجاد شود. برای مثال ممکن است در مواد غذایی این اهمیت کمتر باشد اما در مواد دارویی اگر اندازه ذرات از حدی بیشتر شود امکان جذب نداشته باشد و اگر کمتر شود امکان جذب آن توسط ریه بیشتر شده و خطرات زیست محیطی به همراه داشته باشد یا ممکن است با ریز شدن آن، امکان جداسازی توسط بدن وجود نداشته باشد و در آب محلول شده و از بدن خارج شود.
