Un proceso para la producción de polvos ultrafinos, comprendiendo el proceso:

someter una mezcla de un compuesto metálico precursor adecuado, que tiene una dureza dentro de un intervalo de 1 a 5 en la escala de dureza Mohs, y una fase de diluyente no reactante, siendo la fracción en volumen de la fase de diluyente no reactante mayor del 80%, a molienda mecánica que, mediante el proceso de activación mecánica, reduce la microestructura de la mezcla a la forma de granos de nano-dimensiones del compuesto metálico, dispersados uniformemente en la fase de diluyente; tratar con calor el polvo molido, para convertir los granos de nano-dimensiones del compuesto metálico en una fase de óxido metálico deseada; y retirar la fase de diluyente, de manera que los granos de nano-dimensiones de la fase de óxido metálico se dejan atrás en forma de polvo ultrafino

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un proceso para la producción de polvos ultrafinos y se refiere, particularmente, aunque no exclusivamente, a la producción de polvos ultrafinos que consisten en partículas individuales con tamaños en el intervalo de 1 nm a 200 nm.

Antecedentes de la invención

Los polvos ultrafinos tienen un potencial significativo para un amplio intervalo de aplicaciones, incluyendo catalizadores, medios de grabación magnéticos, materiales optoelectrónicos, fluidos magnéticos y materiales compuestos. Los polvos metálicos ultrafinos se han preparado por métodos físicos, tales como deposición en fase vapor y bombardeo, que tienen superficies de alta calidad, es decir, limpias, y una distribución uniforme del de tamaño de partícula. Sin embargo, las aplicaciones industriales para dichos polvos están limitadas por las bajas velocidades de producción y el alto coste. Los métodos de producción químicos alternativos, tales como descomposición térmica y precipitación, actualmente se están estudiando para la preparación de un amplio intervalo de polvos. Los métodos químicos pueden proporcionar grandes cantidades de polvos cerámicos para aplicaciones industriales. Sin embargo, excepto para metales preciosos, los métodos químicos generalmente no se aplican a la producción de polvos metálicos.

La activación mecánica se ha usado para la producción de polvos finos con tamaños de partícula típicamente en el intervalo de 0,2 a 2 micrómetros. Un método para la producción de polvos por activación mecánica es el proceso de aleación mecánica descrito en la Patente de Estados Unidos Nº 3.591.362, mediante el cual se forman aleaciones a partir de materiales de partida puros, moliendo una mezcla de polvos en un molino de bolas de alta energía. Durante la molienda, las partículas constitutivas experimentan colisiones repetidas con las bolas de molienda provocando deformación, soldadura y fractura de las partículas, lo que da como resultado el refinamiento microestructural y cambios en la composición que conducen a la formación de aleaciones nanocristalinas o amorfas.

Otro ejemplo del uso de activación mecánica para formar polvos finos, como se describe en la Patente de Estados Unidos Nº 5.328.501 está relacionado con un proceso de reducción mecanoquímico. Este proceso implica la reducción química activada mecánicamente de compuestos metálicos reducibles con un reductor durante la molienda en un molino de bolas de alta energía, para refinar y fabricar metales, aleaciones y polvos compuestos. Durante la molienda, la energía conferida a los reactantes a través de los acontecimientos de colisión bola/reactante provoca la soldadura repetida y fractura de las partículas de reactante. En consecuencia, ocurren reacciones de oxidación/reducción en las interfaces soldadas y las cinéticas de reacción se potencian sin necesidad de altas temperaturas, o fusión, para aumentar las velocidades de reacción intrínsecas.

Un método para la fabricación de polvos ultrafinos con tamaños de partícula menores de 50 nm se describe en la solicitud Internacional Nº PCT/AU96/00539. Este proceso implica una reacción química activada mecánicamente entre un compuesto metálico y un reactivo adecuado, que ocurre durante la molienda mecánica o durante el tratamiento con calor posterior del polvo molido. Durante la activación mecánica se forma una estructura compuesta que consiste en granos de nano-dimensiones de la sustancia nanofásica dentro de la matriz de la fase de subproductos. La retirada de la fase de subproductos produce nanopartículas del material deseado.

Las técnicas de la técnica anterior descritas anteriormente requieren la existencia de una reacción química activada mecánicamente entre los polvos de partida para formar partículas de nano-dimensiones. No se sabía previamente que los procesos de molienda mecánica, que no implican la existencia de reacciones químicas entre los constituyentes principales, dieran como resultado polvos que contenían una fracción significativa de partículas con tamaños menores de 50 nm. Por ejemplo, se sabe que los procesos de molienda ultrafina, tales como molienda de desgaste por rozamiento, son eficaces en la producción de polvos con tamaños de partícula medios de aproximadamente 500 nm. Sin embargo, la consecución de tamaños de partícula menores generalmente requiere tiempos de molienda largos y aportes de energía significativos y, por lo tanto, está limitada por consideraciones económicas. La contaminación del producto puede ser también un problema. Además, está ampliamente aceptado que la existencia de lo que se denomina “tamaño de partícula limitante” limita el tamaño de partícula mínimo práctico que puede conseguirse por molienda a valores mayores de 100 nm, independientemente del tipo de molino de bolas empleado.

La Patente Alemana DE 35 05 024 describe un proceso para trituración extremadamente ultrafina de un sólido, en el que al menos un sólido adicional se añade como adyuvante al sólido a triturar, y se tritura junto con el sólido. La mezcla triturada muy finamente de sustancias, compuesta por sólido y adyuvante, se añade a un disolvente, en el que el adyuvante es más soluble que el sólido.

La Solicitud de Patente Internacional WO 97/07917 describe un proceso para la producción de partículas ultrafinas.

El proceso implica someter a una mezcla de un compuesto metálico y un reactivo adecuado a activación mecánica, para aumentar la reactividad química de los reactantes, de manera que puede ocurrir una reacción química que produce una sustancia nanofásica sólida. Se forma también una fase de subproducto que se retira, de manera que la sustancia nanofásica sólida se deja atrás en forma de partículas ultrafinas.

Sumario de la Invención

La presente invención se refiere a un nuevo proceso para la fabricación de polvos ultrafinos, que se está basado en la molienda mecánica de dos o más polvos no reaccionantes. El proceso de la invención está basado en el descubrimiento de que la molienda mecánica de sistemas multifásicos puede usarse para proporcionar un procedimiento mejorado a bajo coste para la producción de polvos ultrafinos.

A lo largo de esta memoria descriptiva el término “que comprende” se usa inclusivamente, en el sentido de que puede haber otras características y/o etapas incluidas en la invención que no están definidas o comprendidas expresamente en las características o etapas definidas o descritas específicamente. Lo que dichas otras características y/o etapas pueden incluir resultará evidente a partir de la memoria descriptiva leída en su conjunto.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un procedimiento para la producción de polvos

ultrafinos, comprendiendo el procedimiento:

someter una mezcla de un compuesto metálico precursor adecuado, que tiene una dureza dentro del intervalo

de 1 a 5 en la escala de dureza de Mohs, y una fase de diluyente no reactante, en el que la fracción en volumen

de la fase de diluyente no reactante supera el 80%, a una molienda mecánica que, mediante el proceso de

activación mecánica, reduce la microestructura de la mezcla a la forma de granos de nano-dimensiones del

compuesto metálico, dispersados uniformemente en la fase de diluyente;

tratar con calor el polvo molido para convertir los granos de nano-dimensiones del compuesto metálico en una

fase de óxido metálico deseada; y

retirar la fase de diluyente, de manera que dichos granos de nano-dimensiones de la fase de óxido metálico se

dejen atrás en forma de un polvo ultrafino.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona un proceso para la producción de polvos

ultrafinos, comprendiendo el proceso:

proporcionar un compuesto metálico precursor adecuado tratado con calor para convertir el compuesto metálico

en una fase de óxido metálico deseada; en el que la fase de óxido metálico tiene una dureza dentro del intervalo

de 1 a 5 en la escala de dureza de Mohs;

someter una mezcla de la fase de óxido metálico y una fase de diluyente no reactante, en la que la fracción en

volumen de la fase de diluyente no reactante supera el 80%, a molienda mecánica que, mediante... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para la producción de polvos ultrafinos, comprendiendo el proceso:

someter una mezcla de un compuesto metálico precursor adecuado, que tiene una dureza dentro de un intervalo de 1 a 5 en la escala de dureza Mohs, y una fase de diluyente no reactante, siendo la fracción en volumen de la fase de diluyente no reactante mayor del 80%, a molienda mecánica que, mediante el proceso de activación mecánica, reduce la microestructura de la mezcla a la forma de granos de nano-dimensiones del compuesto metálico, dispersados uniformemente en la fase de diluyente; tratar con calor el polvo molido, para convertir los granos de nano-dimensiones del compuesto metálico en una fase de óxido metálico deseada; y retirar la fase de diluyente, de manera que los granos de nano-dimensiones de la fase de óxido metálico se dejan atrás en forma de polvo ultrafino.

2. Un procedimiento para la producción de polvos ultrafinos, comprendiendo el proceso: proporcionar un compuesto metálico precursor tratado con calor, para convertir el compuesto metálico en un fase de óxido metálico deseada, en el que la fase de óxido metálico tiene una dureza dentro de un intervalo de 1 a 5 en la escala de dureza Mohs; someter una mezcla de la fase de óxido metálico deseada y una fase de diluyente no reactante, siendo la fracción en volumen de la fase de diluyente no reactante mayor del 80%, a molienda mecánica que, mediante el proceso de activación mecánica, reduce la microestructura de la mezcla a la forma de granos de nano-dimensiones de la fase de óxido metálico deseada, dispersados uniformemente en la fase de diluyente; y retirar la fase de diluyente, de manera que dichos granos de nano-dimensiones de la fase de óxido metálico se dejan atrás en forma de polvo ultrafino.

3. Un proceso para la producción de polvos ultrafinos como se define en la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicho polvo ultrafino incluye partículas de polvo en el intervalo de tamaño de 1 nm a 200 nm.

4. Un proceso para la producción de polvos ultrafinos como se define en la reivindicación 3, en el que dicho polvo ultrafino incluye partículas en polvo en el intervalo de tamaño de 1 nm a 50 nm.

5. Un proceso para la producción de polvos ultrafinos como se define en la reivindicación 3, en el que dicha etapa de tratamiento con calor se realiza calcinando a una temperatura dentro del intervalo de 300ºC a 850ºC, seleccionada para minimizar la aparición de crecimiento de granos de la fase de óxido metálico y, de esta manera, controlar el tamaño de partícula.

6. Un proceso para la producción de polvos ultrafinos como se define en la reivindicación 3, en el que la dureza del compuesto metálico precursor se selecciona para asegurar que la deformación y la fractura de las partículas ocurre durante la molienda mecánica, tal como para formar una estructura nanocompuesta que consiste en granos de nano-dimensiones aislados del compuesto metálico embebido en la fase de diluyente.

7. Un proceso para la producción de polvos ultrafinos como se define en la reivindicación 1, en el que el compuesto metálico precursor es un hidróxido, carbonato, sulfato, oxicloruro u otro compuesto que se descompone al calentarlo en aire para formar un óxido del metal, y el diluyente es una sal que no reacciona con el compuesto metálico, que no se vaporiza fácilmente durante el calentamiento y que se disuelve fácilmente en un disolvente.

8. Un proceso para la producción de polvos ultrafinos como se define en la reivindicación 7, en el que el compuesto metálico precursor se selecciona entre el grupo que consiste en hidróxido de cerio, Ce(OH)4, oxicloruro de zirconio, ZrOCl2, carbonato de cerio, Ce2(CO)3, carbonato de cinc, ZNCO3·2Zn(OH)2, hidróxido de aluminio, Al(OH)3, carbonato de bario, BaCO3, dióxido de titanio, TiO2, carbonato básico de cinc, ZnCO3·2Zn(OH)2, cloruro de estaño, SnCl2, sulfato de aluminio, Al2(SO4)3 y sulfato titanilo, TiOSO4.

9. Un proceso para la producción de polvos ultrafinos como se define en la reivindicación 3, en el que la fracción en volumen de la fase de diluyente supera el 80%, y se selecciona de manera que la fracción en volumen del diluyente es suficientemente alta para los granos de nano-dimensiones del compuesto metálico a desarrollar durante la molienda como granos totalmente separados embebidos en la fase de diluyente.

10. Un proceso para la producción de polvos ultrafinos como se define en la reivindicación 9, en el que la fase de diluyente se selecciona entre el grupo que consiste en NaCl, CaCl2, MgCl2, Na2SO4, NaCO3, Ca(OH)2, CaO y MgO.

11. Un proceso para la producción de polvos ultrafinos como se define en la reivindicación 6, en el que dicha etapa de retirar la fase de diluyente implica someter la estructura nanocompuesta a un disolvente adecuado que retira selectivamente la fase de diluyente, aunque no reacciona con la fase de óxido metálico.

12. Un proceso para la producción de polvos ultrafinos como se define en la reivindicación 11, en el que la fase de diluyente es NaCl y el disolvente adecuado es agua destilada.

13. Un proceso para la producción de polvos ultrafinos como se define en la reivindicación 3, en el que el compuesto metálico precursor es una fase de óxido metálico que tiene propiedades metálicas adecuadas para formar granos de nano-dimensiones de la fase de óxido metálico deseada durante la molienda con la fase de diluyente.

5 14. Un proceso para la producción de polvos ultrafinos como se define en la reivindicación 3, en el que el compuesto metálico precursor es uno de una pluralidad de compuestos metálicos que, cuando se muele con la fase de diluyente, forma una estructura nanocompuesta que consiste en nanopartículas separadas de las fases de compuesto metálico embebidas en la fase de diluyente.