Compreender os Materiais Super-Resistentes — NdFeB
A sinterização de NdFeB, por ser o processo de preparação mais antigo e o mais universalmente aplicável, impulsionou o rápido desenvolvimento de materiais magnéticos permanentes de terras raras. Com a sua forte anisotropia magnética e baixo custo de matéria-prima, o NdFeB sinterizado tornou-se um alvo de investigação em muitos países. A produção de materiais magnéticos permanentes de NdFeB sinterizado utiliza a metalurgia do pó. A liga fundida é transformada em pó e prensada num compacto sob um campo magnético. O compacto é depois sinterizado em gás inerte ou vácuo para atingir a densificação. Além disso, para melhorar a coercividade do íman, é geralmente necessário um tratamento térmico de envelhecimento. O fluxo do processo é o seguinte: preparação da matéria-prima → fundição → preparação do pó → prensagem → sinterização e revenimento → ensaio magnético → retificação → maquinação → galvanoplastia → produto acabado.
Ao contrário do NdFeB sinterizado, as partículas individuais de pó magnético aglomerado necessitam de ter uma coercividade suficientemente elevada. Se a estrutura multifásica e a microestrutura necessárias para uma elevada coercividade forem severamente danificadas durante o processo de preparação do pó, será impossível produzir ímanes aglomerados de boa qualidade. Assim sendo, utilizando o método de solidificação rápida por centrifugação, a liga fundida a quente é inicialmente vertida ou pulverizada sobre uma roda de cobre refrigerada a água e em rotação de alta velocidade para formar uma tira fina com 100 μm de espessura.
O fabrico de ímanes prensados/deformados a quente requer a utilização de pó magnético de Nd-Fe-B arrefecido rapidamente, em vez de utilizar diretamente ligas fundidas. Ao empregar condições de sobre-arrefecimento (arrefecimento rápido), obtêm-se grãos mais finos, ou mesmo pó magnético amorfo. Durante a prensagem e deformação a quente, os grãos são aquecidos e crescem até atingirem um tamanho próximo do de domínio único, resultando numa elevada coercividade no íman final. O processo de prensagem a quente envolve a colocação do pó magnético num molde e a aplicação de pressão a alta temperatura para o forçar a formar um íman isotrópico de densidade sólida.
Aplicações
Motores de Íman Permanente
Nos motores de íman permanente, a utilização de ímanes permanentes para excitação não só reduz o consumo de energia e poupa recursos, como também melhora o desempenho do motor.
Máquinas Magnéticas
As máquinas magnéticas operam utilizando a força repulsiva de pólos iguais ou a força atractiva de pólos opostos em ímanes. Isto requer ímanes permanentes com alta remanência e alta coercividade intrínseca. Além disso, devido ao princípio da atração entre polos opostos, os acionamentos magnéticos podem ser construídos utilizando transmissão sem contacto, oferecendo vantagens como a ausência de atrito e ruído. Por conseguinte, os ímanes de Nd-Fe-B de alto desempenho são amplamente utilizados em componentes de acionamento de máquinas de mineração, chumaceiras magnéticas em giroscópios e turbinas em satélites e naves espaciais, e chumaceiras de rotor em bombas centrífugas para auxiliar a função cardíaca em equipamentos médicos.
Aeroespacial
Os materiais magnéticos permanentes de terras raras são indispensáveis para lançamentos de foguetões, posicionamento de satélites e tecnologias de comunicação. O Nd-Fe-B sinterizado de alto desempenho é particularmente útil em sistemas de transmissão/receção de micro-ondas para radar. Utilizando o efeito combinado de um campo magnético constante e de um campo magnético de micro-ondas alternado, ocorre a ressonância ferromagnética, permitindo o fabrico de circuladores de micro-ondas, isoladores, etc. Eletrónicos de Consumo
A indústria de eletrónica de consumo 3C sempre foi um setor importante para o NdFe-B sinterizado. O NdFe-B sinterizado possui características como um elevado produto de energia magnética, o que está alinhado com as tendências de miniaturização, redução de peso e espessura em produtos eletrónicos de consumo 3C. É amplamente utilizado em componentes eletrónicos como VCMs, motores lineares para telemóveis, câmaras, auscultadores, altifalantes e motores de acionamento de fusos.
Reciclagem de resíduos de neodímio-ferro-boro: um tesouro imperdível
Os ímanes permanentes de neodímio-ferro-boro (NdFeB) são amplamente utilizados na geração de energia eólica, veículos de novas energias e produtos eletrónicos devido às suas excelentes propriedades magnéticas, o que lhes valeu o título de "Rei dos Ímanes". No entanto, a taxa de refugo no processo de produção de magnetos de NdFeB chega aos 30% e, aliada à sua vida útil limitada, resulta numa grande quantidade de resíduos de NdFeB.
Estes resíduos contêm até 30% de elementos de terras raras, excedendo em muito o teor dos minérios primários de terras raras, o que os torna um recurso secundário de elevado valor. A recuperação eficiente de elementos de terras raras a partir de resíduos de NdFeB é crucial para garantir a segurança dos recursos de terras raras, reduzir a poluição ambiental e promover o desenvolvimento sustentável.
Características e Fontes de Resíduos de NdFeB
Os resíduos de NdFeB têm origem principalmente em restos, produtos defeituosos e produtos eletrónicos descartados que contêm ímanes durante o processo de fabrico de ímanes. A sua composição química é complexa; Para além dos principais elementos de terras raras, Nd e Pr, elementos como Dy e Tb são frequentemente adicionados para melhorar a coercividade, e elementos como Co, Al e Cu são adicionados para melhorar o desempenho global. Com base no teor de elementos de terras raras (ETR), os resíduos de NdFeB podem ser classificados em três categorias: baixo teor de terras raras (ETR < 20%), médio teor de terras raras (20%–30%) e alto teor de terras raras (> 30%).
Atualmente, os processos de reciclagem de resíduos de NdFeB dividem-se principalmente em tecnologias pirometalúrgicas, hidrometalúrgicas e de reciclagem inovadoras.
(I) Processos de Reciclagem Pirometalúrgica
A reciclagem pirometalúrgica separa os elementos de terras raras do ferro através de reações a altas temperaturas. Os principais métodos incluem a oxidação seletiva, a separação por cloração, a liga líquida e a separação por fusão de escória e metal.
A oxidação seletiva baseia-se no facto de os elementos terras raras terem uma afinidade muito maior pelo oxigénio do que o ferro. A altas temperaturas, os elementos de terras raras são oxidados seletivamente para formar óxidos, que são depois separados do ferro metálico. Nakamoto et al. prepararam com sucesso óxidos mistos de terras raras com uma pureza superior a 95% e uma taxa de recuperação superior a 99%, controlando precisamente a pressão parcial de oxigénio.
A separação por cloração utiliza a forte afinidade entre os elementos de terras raras e o cloro. Os agentes clorantes como o NH₄Cl, FeCl₂ ou MgCl₂ são utilizados para converter os elementos de terras raras em cloretos antes da separação. Uda utilizou como agente clorante o FeCl₂, reagindo a 800 °C, conseguindo uma taxa de recuperação de terras raras de 95,9% e uma pureza do produto superior a 99%.
O método da liga líquida utiliza a diferença de afinidade entre os elementos de terras raras e o ferro por outros metais para obter o enriquecimento e a separação eficazes dos elementos de terras raras e do ferro. O elemento de terras raras Nd pode formar diversas ligas de baixo ponto de fusão com Ag, Mg, etc.
O método de separação metal-escória baseia-se na característica de que os elementos de terras raras presentes nos resíduos de NdFeB combinam mais facilmente com o oxigénio. Todos os metais dos resíduos de NdFeB são convertidos em óxidos metálicos. Simultaneamente, sob a alta temperatura de um agente de escória, os óxidos de ferro são convertidos em Fe metálico pelo controlo das condições redutoras.
(II) Processo de Recuperação Húmida
A recuperação húmida é atualmente o método mais utilizado, incluindo principalmente o método de dissolução total, o método de dissolução preferencial com ácido clorídrico, o método de precipitação com sal duplo e o método de extração por solvente.
(III) Novos Processos de Reciclagem
As novas tecnologias de reciclagem visam resolver os problemas de elevado consumo de energia e elevada poluição associados aos métodos tradicionais, incluindo a explosão de hidrogénio, a biolixiviação e os métodos eletroquímicos.
Comparação dos diferentes processos de reciclagem e impacto ambiental
Os processos pirometalúrgicos apresentam baixas taxas de fluxo e grandes capacidades de processamento, mas um elevado consumo de energia e dificuldade na separação de elementos de terras raras individuais; os processos hidrometalúrgicos apresentam elevadas taxas de recuperação e elevada pureza do produto, mas elevado consumo de ácido e elevados custos de tratamento de efluentes; processos mais recentes, como a biolixiviação e os métodos eletroquímicos, são amigos do ambiente, mas encontram-se sobretudo em fase laboratorial e ainda não foram aplicados em larga escala.
Em termos de impacto ambiental, os processos de reciclagem tradicionais utilizam frequentemente ácidos fortes, álcalis fortes e altas temperaturas, gerando grandes quantidades de resíduos líquidos e gasosos, aumentando a carga ambiental. Por conseguinte, o desenvolvimento de processos de reciclagem ecológicos e de baixo consumo é crucial.
A reciclagem de resíduos de NdFeB é uma forma fundamental de aliviar a escassez de recursos de terras raras e de reduzir a poluição ambiental. Através da inovação tecnológica e de diretrizes políticas, a indústria de reciclagem de NdFeB irá desenvolver-se no sentido de processos ecológicos, de baixo custo, curtos e com elevadas taxas de recuperação, injetando novo ímpeto no desenvolvimento sustentável.
Aplicação e desenvolvimento de materiais inorgânicos em pó na indústria da borracha
A borracha é amplamente utilizada nos transportes, na maquinaria, na eletrónica, na defesa e noutros setores da economia nacional. No entanto, a borracha também apresenta desvantagens significativas, como forças intermoleculares fracas, grande volume livre e baixa capacidade de autocristalização, resultando numa baixa resistência e módulo de elasticidade, bem como numa baixa resistência ao desgaste. Assim, é necessário adicionar cargas inorgânicas não metálicas para satisfazer as exigências destas aplicações.
De um modo geral, as cargas inorgânicas não metálicas em borracha desempenham principalmente as seguintes funções: reforço, enchimento (aumento de volume) e redução de custos, melhoria do desempenho de processamento, regulação das características de vulcanização e atribuição de funções especiais.
Cargas Minerais Inorgânicas Não Metálicas Comumente Utilizadas em Borracha
(1) Sílica
A sílica é atualmente o segundo agente de reforço mais utilizado na indústria da borracha, a seguir ao negro de fumo. A fórmula química da sílica é SiO₂·nH₂O. A sua estrutura de partículas contém muitos vazios. Quando estes vazios se encontram na gama de 2 nm a 60 nm, combinam-se facilmente com outros polímeros, sendo esta a principal razão pela qual a sílica é utilizada como agente de reforço. Como agente de reforço, a sílica pode melhorar significativamente a resistência ao desgaste e ao rasgamento dos materiais. Pode também melhorar consideravelmente as propriedades mecânicas dos pneus e é amplamente utilizada em veículos, instrumentos, aeroespacial e outros campos.
(2) Carbonato de Cálcio Leve
O carbonato de cálcio leve é um dos primeiros e mais utilizados materiais de enchimento na indústria da borracha. Grandes quantidades de carbonato de cálcio leve adicionadas à borracha podem aumentar o volume do produto, poupando assim borracha natural cara e reduzindo os custos. A borracha com enchimento de carbonato de cálcio leve pode atingir uma maior resistência à tracção, ao desgaste e ao rasgamento do que as borrachas vulcanizadas puras. Possui um efeito de reforço significativo tanto em borracha natural como sintética, podendo também ajustar a consistência. Na indústria de cabos, pode proporcionar um certo grau de isolamento. (3) Caulino
A caulinita é um aluminossilicato hidratado, um mineral argiloso comum. A sua aplicação prática em borracha melhora a elasticidade, as propriedades de barreira, o alongamento e a resistência à flexão da borracha. A adição de caulinita modificada à borracha de estireno-butadieno (SBR) melhora significativamente o alongamento, a resistência ao rasgamento e a dureza Shore da borracha, além de prolongar a sua vida útil.
(4) Argila
A argila pode ser adicionada durante o fabrico de pneus, dependendo dos requisitos do processo de produção. A argila é utilizada como carga para reduzir custos. No entanto, deve ser ativada para facilitar a ligação com a borracha. A argila ativada ou modificada pode substituir parcialmente o negro de fumo na formulação.
Estudos mostram que à medida que a quantidade de argila aumenta, a dureza, a tensão de tração a 300% e a resistência à tração do composto de borracha diminuem ligeiramente, mas isto pode ser compensado através do ajuste do sistema de vulcanização. Quando utilizada em formulações de piso, após a otimização do sistema, pode também reduzir a resistência ao rolamento.
(5) Sulfato de bário
Pode melhorar eficazmente a resistência ao envelhecimento e às intempéries dos produtos de borracha, como pneus e correias. Além disso, pode melhorar a suavidade da superfície dos produtos de borracha. Como carga em pó para borracha, não só aumenta a taxa de aplicação do pó, como também apresenta vantagens significativas em termos de custo.
(6) Talco
O talco em pó é geralmente dividido em talco industrial comum e talco ultrafino. O primeiro, como carga para a borracha, não desempenha um papel de reforço e tem um efeito insignificante na melhoria das propriedades físicas da borracha. Por conseguinte, o talco industrial comum é frequentemente utilizado como agente desmoldante. O talco ultrafino, por outro lado, tem um bom efeito de reforço. Se for utilizado como carga para a borracha, a resistência à tracção da própria borracha é equivalente ao efeito produzido pela sílica.
(7) Grafite
O grafite pertence à classe dos minerais não metálicos silicatados lamelares e possui boa condutividade térmica, condutividade elétrica e lubricidade. A utilização de grafite como carga na borracha envolve um processo semelhante ao da montmorilonita, em que o grafite é decomposto em nanopartículas através de uma técnica específica. Quando estas nanopartículas se combinam com a matriz de borracha, são melhoradas diversas propriedades funcionais da borracha. Por exemplo, a condutividade elétrica, a condutividade térmica, a estanquicidade ao ar e as propriedades mecânicas são significativamente melhoradas.
Tipos e aplicações da tecnologia de esferoidização de pó
A tecnologia de esferoidização de pós, um componente indispensável da indústria e da ciência modernas, pode melhorar as características superficiais e as propriedades físicas dos pós, otimizar o desempenho dos materiais e satisfazer os requisitos multifuncionais. Atualmente, a tecnologia de esferoidização de pós tem-se expandido em diversos campos, incluindo o farmacêutico, alimentar, químico, proteção ambiental, materiais, metalurgia e impressão 3D.
A tecnologia de preparação de pós esféricos envolve diversas disciplinas, incluindo a especialização em química, ciência dos materiais e engenharia. De seguida, exploraremos as diversas tecnologias envolvidas na esferoidização de pós.
Método de Moldagem Mecânica
Os métodos de moldagem mecânica utilizam principalmente uma série de forças mecânicas, como a colisão, o atrito e o cisalhamento, para deformar plasticamente e adsorver as partículas. O processamento contínuo resulta em partículas mais densas, e as arestas afiadas são gradualmente suavizadas e arredondadas pela força de impacto. Os métodos de moldagem mecânica utilizam moinhos de impacto de alta velocidade, moinhos com agitação de meio e outros equipamentos de pulverização para produzir materiais em pó fino. Combinados com a moagem a seco e a húmido, estes métodos produzem materiais em pó com um tamanho de partícula mais fino, uma distribuição de tamanho de partícula mais estreita e uma certa taxa de esferoidização.
A conformação mecânica é amplamente utilizada na esferoidização e conformação de grafite natural, grafite artificial e partículas de cimento. É também adequada para a britagem e pulverização de pós frágeis de metais ou ligas. A conformação mecânica utiliza uma vasta gama de matérias-primas de baixo custo, aproveitando ao máximo os recursos existentes. Oferece vantagens como a simplicidade, o respeito pelo ambiente e a escalabilidade industrial. No entanto, este método é pouco selectivo em termos de materiais e não consegue garantir a esfericidade, a densidade compactada e o rendimento das partículas processadas. Por conseguinte, é apenas adequado para a produção de pós esféricos com requisitos de qualidade mais baixos.
Secagem por Atomização
A secagem por atomização envolve a atomização de uma substância líquida em gotículas, que são depois rapidamente evaporadas numa corrente de ar quente, solidificando em partículas sólidas. As vantagens da secagem por atomização são a sua simplicidade e facilidade de controlo das propriedades do produto. É utilizada principalmente nas áreas de explosivos militares e baterias.
Reação Química em Fase Gasosa
A reação química em fase gasosa utiliza matérias-primas gasosas (ou evapora matérias-primas sólidas para o estado gasoso) para produzir o composto desejado através de uma reação química. Este composto é depois rapidamente condensado para produzir pós esféricos ultrafinos de diversas substâncias.
Método Hidrotérmico
O método hidrotérmico utiliza um reator sob condições de alta temperatura e pressão, utilizando água ou um solvente orgânico como meio de reação para uma reação química. O tamanho das partículas pode ser controlado eficazmente através do ajuste de parâmetros como a temperatura hidrotérmica, o tempo hidrotérmico, o pH e a concentração da solução.
Método de Precipitação
O método de precipitação combina iões metálicos com um precipitante específico através de uma reação química numa solução, gerando minúsculas partículas coloidais semi-sólidas e formando uma suspensão estável. Posteriormente, ajustando ainda mais as condições da reação de precipitação, como o envelhecimento estático, a agitação lenta ou a alteração do ambiente da solução, estas partículas coloidais agregam-se gradualmente e crescem em direção à forma esférica, formando um precipitado esférico primário. O precipitado resultante é então seco ou calcinado para produzir um material em pó esférico.
Método Sol-Gel
O método sol-gel envolve normalmente três etapas: preparação do sol, formação do gel e formação do pó esférico. O tratamento térmico pode melhorar ainda mais a estrutura e as propriedades do pó esférico, permitindo um controlo preciso do tamanho e da morfologia das partículas.
Método de Microemulsão
O método de microemulsão é um método de preparação de um sistema bifásico líquido-líquido. Este método envolve a adição de um solvente orgânico contendo um precursor dissolvido a uma fase aquosa para formar uma emulsão contendo pequenas gotículas. As partículas esféricas são então formadas por nucleação, coalescência, aglomeração e tratamento térmico. Os métodos de microemulsão são amplamente utilizados na preparação de nanopartículas e materiais compósitos orgânicos-inorgânicos.
Esferoidização por Plasma
Com o rápido desenvolvimento da alta tecnologia e a necessidade urgente de novos nanomateriais e novos processos de preparação, a investigação e a aplicação da química de plasmas estão a ganhar cada vez mais atenção. A esferoidização por plasma, caracterizada por alta temperatura, alta entalpia, alta reatividade química e atmosfera e temperatura de reação controláveis, é ideal para a produção de pós esféricos de partículas pequenas e de alta pureza.
Outros métodos incluem a deflagração, a peletização por chama de combustão de gás, a atomização ultrassónica, a atomização centrífuga, o corte por fio, o puncionamento e a refundição, e a pulverização pulsada de microporos.
Como modificar a superfície do pó de nitreto de silício?
A modificação da superfície do pó de nitreto de silício envolve principalmente o tratamento da superfície do pó através de vários métodos físicos e químicos para melhorar as propriedades físicas e químicas das partículas.
A modificação da superfície pode reduzir a atração mútua entre as partículas de pó, permitindo uma melhor dispersão do pó no meio e melhorando a dispersibilidade da pasta de pó. Pode também aumentar a atividade superficial do pó de nitreto de silício, aumentando a sua compatibilidade com outras substâncias e, assim, desenvolvendo novas propriedades.
O princípio fundamental da modificação da superfície do pó é que a interação entre o pó e o modificador de superfície aumenta a molhabilidade da superfície do pó e melhora a sua dispersão em meios aquosos ou orgânicos.
1. Modificação do Revestimento de Superfície
A tecnologia de modificação do revestimento superficial utiliza a adsorção física ou química para fixar uniformemente o material de revestimento à superfície do objeto revestido, formando uma camada de revestimento uniforme e completa. A camada de revestimento formada durante o processo de revestimento é tipicamente uma monocamada.
A modificação do revestimento é geralmente categorizada como inorgânica e orgânica. O revestimento inorgânico envolve principalmente a deposição de óxidos ou hidróxidos apropriados na superfície das partículas cerâmicas para modificar o pó, mas esta modificação apenas afeta as propriedades físicas. O revestimento orgânico, por outro lado, envolve a seleção de substâncias orgânicas como materiais de revestimento. Estas substâncias orgânicas ligam-se a grupos na superfície das partículas de pó e adsorvem seletivamente na superfície, conferindo as propriedades da camada de revestimento ao pó.
Esta tecnologia de modificação oferece um baixo custo, passos simples e fácil controlo, mas os resultados são frequentemente limitados.
2. Tratamento de Superfície com Ácido e Álcali
Os processos de moldagem cerâmica requerem, geralmente, pastas cerâmicas com um elevado teor de sólidos e baixa viscosidade. A densidade de carga na superfície do pó influencia significativamente a reologia e a dispersibilidade da pasta. A lavagem da superfície do pó cerâmico (tratamentos ácidos e alcalinos) pode alterar as propriedades de carga da superfície do pó. Como o nome sugere, este método de modificação envolve a mistura e lavagem completas do pó de nitreto de silício com soluções ácidas ou alcalinas de concentrações variadas.
Ao mesmo tempo, o tratamento alcalino a uma determinada concentração pode também reagir com a superfície dos pós cerâmicos. Pesquisas de Wang Yongming et al. demonstraram que a lavagem alcalina pode reduzir o teor de silanol na superfície do pó de carboneto de silício, diminuindo o seu grau de oxidação, alterando a repulsão eletrostática entre as partículas e melhorando as propriedades reológicas da pasta.
3. Modificação do Dispersante
Com base nas diferenças entre os diferentes tipos de pós cerâmicos, a seleção de um dispersante apropriado ou o desenvolvimento de um novo desempenha um papel fundamental no aumento do teor de sólidos da pasta cerâmica. O tipo e a quantidade de dispersante adicionado podem alterar significativamente o efeito nas propriedades cerâmicas.
Os dispersantes possuem geralmente estruturas hidrofílicas e hidrofóbicas, e é através da interação entre estes grupos hidrofílicos e hidrofóbicos que ajustam as propriedades de dispersão da pasta cerâmica. Os dispersantes incluem tensioativos ou eletrólitos poliméricos, enquanto os tensioativos incluem tensioativos catiónicos e aniónicos.
Os eletrólitos poliméricos incluem o ácido polivinilsulfónico, o ácido poliacrílico, a polivinilpiridina e a polietilenoimina. Os dispersantes podem sofrer reações de adsorção com a superfície do pó, incluindo adsorção química e física, alavancando as forças interpartículas (forças de van der Waals e repulsão eletrostática) e o potencial para efeitos estéricos.
4. Modificação da Hidrofobicidade da Superfície
A modificação da hidrofobicidade da superfície envolve a conversão dos grupos hidroxilo do pó cerâmico em grupos hidrofóbicos, como grupos hidrocarbonetos, grupos alquila de cadeia longa e grupos cicloalquila. Estes grupos orgânicos ligam-se à superfície do pó cerâmico, exercendo um forte efeito hidrofóbico, permitindo uma melhor dispersão no meio de dispersão e evitando a aglomeração.
Quando os polímeros são enxertados na superfície do pó de nitreto de silício, as longas cadeias poliméricas ligam-se à superfície do pó, enquanto as cadeias hidrofílicas das outras extremidades se estendem para o meio aquoso. Durante todo o processo de dispersão, as partículas de pó sofrem repulsão interpartículas e impedimento estérico criado pelas longas cadeias de polímero, resultando numa melhor dispersão da pasta.
Quatro áreas de aplicação inovadoras e perspetivas do caulino
O caulino, um mineral de silicato lamelar 1:1, apresenta inúmeras propriedades, incluindo dispersibilidade, plasticidade, sinterabilidade, propriedades refratárias, troca iónica e estabilidade química, tornando-se amplamente utilizado em diversos campos industriais. Atualmente, as aplicações do caulino concentram-se principalmente nas indústrias tradicionais, como a cerâmica, o fabrico de papel e os refratários.
1. Compósitos de Alto Desempenho
A aplicação de caulino em compósitos pode melhorar as propriedades superficiais (como a capacidade de adsorção) dos materiais.
Os benefícios do caulino em compósitos incluem o aumento da adsorção, a melhoria das propriedades elétricas, a melhoria da estabilidade térmica/resistência ao fogo e a melhoria da estabilidade mecânica. No entanto, as aplicações práticas ainda apresentam desafios, como a dispersibilidade e a compatibilidade interfacial insuficientes do caulino em compósitos, o que pode limitar a sua eficácia.
As futuras direções de investigação incluem o desenvolvimento de tecnologias de modificação de superfície de caulino mais eficientes e sustentáveis para melhorar a sua dispersibilidade e compatibilidade com materiais de matriz; Explorar o design de compósitos multifuncionais à base de caulino para satisfazer as necessidades de aplicações específicas, como a captação de energia, o tratamento de águas residuais e a segurança contra incêndios; e aumentar ainda mais a área superficial específica do caulino e o número de sítios ativos através de processamento em nanoescala e manipulação molecular, melhorando assim o seu desempenho. Além disso, devem ser feitos esforços para promover processos de produção de baixo custo e ecológicos para compósitos de caulino, e integrar tecnologias de fabrico inteligentes para alcançar aplicações em larga escala.
2. Materiais Porosos: Campo de Crivos Moleculares
As peneiras moleculares são materiais com uma estrutura de poros ordenada que adsorvem seletivamente diferentes moléculas. São muito utilizadas na refinação de petróleo, petroquímica, agricultura e tratamento de águas. O caulino, um mineral natural comum e barato, rico em sílica e alumina, pode ser utilizado diretamente para sintetizar peneiras moleculares de zeólitos. Comparativamente às fontes tradicionais e potencialmente tóxicas de silício e alumínio, o caulino não só é amigo do ambiente, como também reduz os custos e simplifica o processo de síntese.
O caulino não só ativa a atividade dos silicatos e da alumina através de pré-tratamentos simples, como a calcinação e a lixiviação ácida, como também melhora ainda mais o desempenho da peneira molecular através da manipulação de agentes de modelação e otimização da temperatura.
3. Biomedicina
O caulino é um tipo de mineral de argila nanosilicato caracterizado por uma excelente biocompatibilidade, elevada área superficial específica, inércia química, propriedades coloidais e tixotropia. Na área da biomedicina, a investigação está gradualmente a migrar de aplicações básicas como transportadores de fármacos para aplicações biomédicas mais complexas, como a terapia genética e a bioimpressão 3D. As aplicações do caulino expandiram-se do simples suporte físico e libertação de fármacos para sistemas complexos que promovem o crescimento celular e a entrega de genes.
4. Armazenamento de Energia
O armazenamento de energia sempre foi um tema em alta. Procurar soluções de armazenamento de energia eficientes e sustentáveis é um dos principais caminhos para enfrentar os desafios energéticos globais. O caulino, com a sua estrutura única e multifuncionalidade, tornou-se um candidato ideal para o armazenamento de energia. O caulino é utilizado em diversos dispositivos de armazenamento de energia, como baterias de iões de lítio, supercondensadores e células de combustível microbianas.
As perspectivas futuras de aplicação do caulino são as seguintes:
a. A investigação e o desenvolvimento de materiais inovadores irão concentrar-se em tecnologias de nanoprocessamento e modificação de superfícies de caulino, visando melhorar o seu desempenho em eletrónica, armazenamento de energia e outros campos. Por exemplo, os nanocompósitos à base de caulino podem ser desenvolvidos combinando-os com polímeros ou materiais à base de carbono para melhorar a resistência mecânica e a condutividade.
b. O caulino tem o potencial de fornecer soluções para problemas ambientais, como o tratamento de água e a remediação de solos, particularmente na remoção de metais pesados e adsorção de poluentes.
c. A integração de tecnologias interdisciplinares promoverá a aplicação inovadora do caulino no campo biofarmacêutico, integrando a biotecnologia para desenvolver sistemas de libertação de fármacos ou estruturas bioativas.
d. Com a crescente procura do mercado por materiais ecológicos, as empresas devem reforçar a colaboração com instituições de I&D para transformar descobertas inovadoras em produtos competitivos, como cerâmicas de caulino duráveis e de alta temperatura ou compósitos leves.
e. Com a ênfase global no desenvolvimento sustentável, o apoio político e a viabilidade económica influenciarão a direcção da I&D e da aplicação do caulino. Por conseguinte, a indústria precisa de monitorizar de perto a disponibilidade de recursos e a otimização de custos, ao mesmo tempo que reforça a gestão de riscos e melhora a competitividade global para lidar com o complexo ambiente internacional.
Sulfato de bário modificado por SDS para uso cosmético
Os opacificantes cosméticos são ingredientes essenciais para conseguir efeitos como ocultar manchas e clarear a pele; a sua dispersibilidade e estabilidade afetam diretamente o desempenho e a vida útil do produto.
O sulfato de bário é muito utilizado em cosméticos devido ao seu elevado índice de refração, boa opacidade e estabilidade química. No entanto, a sua tendência para a aglomeração limita a sua aplicação em cosméticos.
Este estudo investiga a dispersibilidade e a estabilidade do sulfato de bário em matrizes cosméticas, preparando sulfato de bário ultrafino através da moagem de esferas e otimizando os processos de modificação de superfície e dispersão.
1. Métodos de Modificação
(1) Pré-tratamento do Sulfato de Bário
O sulfato de bário de grau industrial foi seco e peneirado num crivo de malha 200 em lotes. Para cada lote, 100 g de sulfato de bário foram misturados com 0,5 g de ácido esteárico num moinho de dois rolos durante 3 min. Os rolos foram então ajustados para a abertura mínima e passados 6 vezes, seguindo-se uma passagem final com uma abertura de 2 mm, completando a mistura inicial. O sulfato de bário misturado foi seco a 80 °C durante 4 h para obter o produto pré-tratado.
(2) Modificação da Superfície
Utilizando 100 partes da formulação base, foram adicionadas diferentes proporções do sulfato de bário pré-tratado e submetidas a modificação da superfície a 60 °C. Durante a modificação, foram adicionadas 1,5 partes de dodecil sulfato de sódio e a mistura foi completamente misturada. Os rolos foram ajustados para a abertura mínima e passados 6 vezes antes de serem achatados, resultando no sulfato de bário modificado.
(3) Preparação da Dispersão
O sulfato de bário modificado foi disperso na formulação base em diferentes proporções, utilizando uma combinação de agitação mecânica e dispersão ultrassónica. Especificamente, uma certa quantidade de sulfato de bário modificado foi pesada, adicionada à água desionizada e dispersa ultrassónica durante 10 min. A formulação base foi então adicionada lentamente, sob agitação, e a mistura foi agitada durante mais 30 minutos.
2. Processo de Modificação Óptimo e Avaliação de Desempenho
(1) Processo de Modificação Óptimo
Através de uma pesquisa sistemática, foram determinadas as condições ideais do processo: o sulfato de bário de grau industrial foi peneirado num crivo de 200 mesh e seco a 60 °C durante 4 horas. O dodecil sulfato de sódio foi utilizado como modificador de superfície a 1,5% do peso do sulfato de bário, e a modificação foi realizada a 60 °C durante 2 horas. No processo de dispersão, o teor de sulfato de bário foi controlado em 15% a 20%, a temperatura de dispersão em 60 °C, o tempo de dispersão em 15 minutos e o pH do sistema mantido em 8,0 a 8,5. Foi utilizada uma combinação de agitação mecânica e dispersão ultrassónica.
Nestas condições, o sistema de dispersão resultante apresentou as seguintes características: distribuição uniforme do tamanho de partícula, com um tamanho de partícula principal de 0,8–1,2 μm; boa estabilidade do dispersante, sem sedimentação significativa em 7 dias; e excelente cobertura, com um filme uniforme e contínuo.
(2) Avaliação da Aplicação em Cosméticos
A dispersão de sulfato de bário preparada foi avaliada em formulações cosméticas: a adição de 15% da dispersão de sulfato de bário modificada a uma base cremosa resultou numa boa cobertura e numa experiência agradável ao utilizador, com boa compatibilidade com a matriz base e sem separação de fases.
A adição de 20% da dispersão a uma formulação de corretor melhorou significativamente a cobertura, manteve uma boa estabilidade e proporcionou um efeito natural e duradouro.
Os resultados da avaliação da aplicação demonstram que a dispersão de sulfato de bário preparada pelo processo otimizado apresenta um excelente desempenho em aplicações cosméticas. A ALPA é especializada em moagem e classificação ultrafinas para maximizar o valor do seu produto. Especializada na moagem e classificação ultrafinas de barita.
O potencial da montmorilonita no campo das novas energias
A montmorilonita (MMT) é um mineral de silicato lamelar. Na sua estrutura, os átomos de alumínio de alta valência nos octaedros de alumínio-oxigénio podem ser facilmente substituídos por átomos de menor valência, resultando numa carga negativa entre camadas. Para manter a estabilidade da estrutura interlamelar, a montmorilonita adsorve catiões como o Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ e K+ da sua envolvente. Esta característica confere à montmorilonita fortes capacidades de adsorção e troca catiónica. Esta estrutura única e capacidade de troca conferem à montmorilonita um potencial significativo para aplicações no campo das novas tecnologias energéticas.
Materiais para Baterias de Lítio
(1) Para Eletrólitos de Estado Sólido
Numerosos estudos demonstraram que a montmorilonita (MMT), como uma nova carga inorgânica, pode melhorar significativamente a condutividade iónica e as propriedades mecânicas dos eletrólitos poliméricos sólidos (SPEs).
(2) Construção de Camadas SEI Artificiais
Em filmes artificiais de interfase eletrolítica sólida (SEI), a montmorilonita-lítio em camadas (Li-MMT) confere boas propriedades mecânicas à camada SEI e fornece canais de transporte de Li+, o que ajuda a suprimir o crescimento dos dendritos de lítio. Beneficiando dos canais rápidos de Li+ presentes no Li-MMT, uma célula completa de Li-LiFePO4 montada com uma camada SEI de Li-MMT apresenta um desempenho de taxa superior e mantém uma elevada capacidade de retenção de 90,6% após 400 ciclos a uma taxa de 1C.
(3) Otimização do Separador
O MMT é utilizado para otimizar separadores devido às suas excelentes propriedades de adsorção. Comparativamente aos separadores de PE comerciais, o separador modificado com Li-MMT apresenta uma maior concentração de Li+ na interface elétrodo/eletrólito, o que reduz a deposição seletiva de lítio, enfraquece a densidade de corrente local e suprime o crescimento de dendrites.
(4) Otimização de Eletrólitos Líquidos
Nos sistemas de baterias de lítio metálico, em comparação com os eletrólitos de PEO, a montmorilonita apresenta uma maior afinidade com o lítio metálico, com um potencial zeta de +26 mV, o que promove o enriquecimento de iões de lítio junto à superfície da montmorilonita. Com a adsorção e separação dos iões de lítio, o sobrepotencial aumenta ligeiramente para -57,7 mV, orientando os iões de lítio para migrarem da montmorilonita e se depositarem na superfície do coletor de corrente de cobre.
(5) Materiais Portadores
Supercondensadores
Materiais Molde
Alguns minerais naturais possuem morfologias específicas, como a atapulgite, a montmorilonita, a haloisita e a diatomita, que são comummente utilizados como moldes para sintetizar materiais de carbono porosos com morfologias específicas. Além disso, polímeros condutores com morfologias específicas podem ser sintetizados através do método do molde mineral. (2) Materiais Portadores de Eléctrodos
Para obter materiais ativos com morfologias específicas e, simultaneamente, aumentar a capacitância específica e melhorar a estabilidade do ciclo, os materiais ativos podem ser carregados na superfície de minerais como a montmorilonita e a haloisita.
Materiais de Armazenamento de Metano
Atualmente, os investigadores estão a explorar a utilização da tecnologia de armazenamento de gás natural baseada na adsorção, que é económica, conveniente e segura, como alternativa às tecnologias tradicionais de gás natural comprimido e gás natural liquefeito. Estudos demonstraram que os minerais argilosos desempenham um papel positivo na formação e desenvolvimento de reservatórios de gás de xisto e possuem capacidade de armazenamento de gás.
Materiais Eletrocatalíticos
A eletrocatálise é um tipo de catálise que acelera as reações de transferência de carga na interface elétrodo/eletrólito e tem sido amplamente utilizada em áreas como a evolução eletroquímica de hidrogénio, evolução de oxigénio e redução de NOx. Os minerais de argila, como a montmorilonita, têm sido amplamente utilizados como transportadores de componentes de reação de elétrodos fotoeletrocatalíticos para prevenir a agregação de partículas, melhorar a estabilidade das moléculas sensibilizadoras e aumentar a seletividade da reação.
Materiais de Armazenamento de Energia Térmica em Mudança de Fase
Os materiais de armazenamento de energia térmica em mudança de fase (PCMs) são um novo tipo de material funcional que utiliza a absorção ou libertação de calor durante a mudança de fase para armazenamento e libertação de energia térmica. Os minerais naturais desempenham um papel importante no campo do armazenamento de energia térmica em mudança de fase. Por um lado, os próprios minerais naturais são excelentes materiais inorgânicos para a mudança de fase e podem ser processados em materiais de armazenamento de energia térmica em mudança de fase de alto desempenho após a adição de agentes nucleantes e espessantes apropriados. Por outro lado, a estrutura porosa dos minerais pode servir como um excelente transportador para materiais de armazenamento de energia térmica em mudança de fase.
Modificação do revestimento em pó de dióxido de titânio
A modificação da superfície do pó de dióxido de titânio (branco de titânio) é um método importante para melhorar o seu desempenho (como a dispersibilidade, a resistência à intempérie, o brilho e a estabilidade química). As técnicas comuns de modificação de superfícies podem ser amplamente categorizadas em três tipos: revestimento inorgânico, revestimento orgânico e revestimento compósito. A seguir, é apresentada uma classificação detalhada e uma breve introdução a estes métodos:
Modificação do Revestimento Inorgânico
Este método envolve o revestimento da superfície das partículas de dióxido de titânio com uma camada de óxidos ou sais inorgânicos, formando uma barreira física para melhorar a sua estabilidade química e propriedades óticas.
1. Revestimento de Óxido
Princípio: Os hidratos de óxidos metálicos (como SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ etc.) são precipitados na superfície das partículas de dióxido de titânio, formando uma camada de revestimento uniforme.
Processo: Normalmente, utiliza-se um método de deposição em fase líquida, no qual se adicionam sais metálicos (como o silicato de sódio e o sulfato de alumínio) à pasta de dióxido de titânio, e o pH é ajustado para precipitar os hidratos de óxido metálico na superfície.
2. Revestimento de Óxido Composto
Princípio: Revestimento com dois ou mais óxidos metálicos (como Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂ etc.), combinando as vantagens de cada componente.
Características: Desempenho global superior; por exemplo, o revestimento de Al₂O₃-SiO₂ pode melhorar simultaneamente a dispersibilidade e a resistência às intempéries, sendo adequado para revestimentos automóveis e de bobinas exigentes.
3. Revestimento com Sal
Princípio: Utilização de sais metálicos (como fosfatos, silicatos, sulfatos, etc.) para formar uma camada de sal insolúvel na superfície das partículas de dióxido de titânio.
Modificação de Revestimento Orgânico
Este método envolve a reação de compostos orgânicos com os grupos hidroxilo na superfície do dióxido de titânio, formando uma camada molecular orgânica para melhorar a sua compatibilidade com os meios orgânicos. 1. Revestimento com Agente de Acoplamento
Princípio: Utilizando a estrutura anfifílica dos agentes de acoplamento (como silanos, titanatos e aluminatos), uma extremidade liga-se aos grupos hidroxilo na superfície do dióxido de titânio, enquanto a outra extremidade reage com a matriz orgânica (por exemplo, resina, polímero).
Funções:
Agentes de acoplamento de silano: Melhoram a dispersibilidade do dióxido de titânio em sistemas aquosos, comummente utilizados em revestimentos e tintas à base de água.
Agentes de acoplamento de titanato/aluminato: Melhoram a compatibilidade em sistemas oleosos, como plásticos e borracha, reduzindo a aglomeração durante o processamento.
2. Revestimento Surfactante
Princípio: Os tensioativos (como os ácidos gordos, os sulfonatos e os sais de amónio quaternário) aderem à superfície do dióxido de titânio por adsorção física ou reação química, formando uma camada de carga ou camada hidrofóbica.
3. Revestimento Polimérico
Princípio: Enxertia de polímeros (como acrilatos, resinas epóxi e siloxanos) na superfície do dióxido de titânio através de reações de polimerização.
Funções:
Forma uma camada espessa de revestimento, protegendo ainda mais contra ataques químicos e melhorando a resistência às intempéries e as propriedades mecânicas.
Melhora a compatibilidade com resinas específicas, adequado para compósitos e revestimentos de alto desempenho.
4. Revestimento Organossilício
Princípio: Utiliza a baixa energia superficial dos polissiloxanos (óleo de silicone, resina de silicone, etc.) para revestir partículas de dióxido de titânio.
Funções: Reduzir a tensão superficial, melhorar a dispersibilidade e a lubricidade, comummente utilizado em tintas e cosméticos.
Modificação de Revestimentos Compósitos
Combinando as vantagens dos revestimentos inorgânicos e orgânicos, um processo de revestimento duplo (sequencial ou simultâneo) consegue desempenhos complementares.
1. Revestimento Sequencial Inorgânico-Orgânico
Processo: Primeiramente, forma-se uma barreira física com óxidos inorgânicos (por exemplo, SiO₂) e, em seguida, realiza-se a modificação orgânica com agentes de acoplamento ou polímeros.
Características: Equilibra a resistência às intempéries e a compatibilidade, adequado para revestimentos arquitetónicos de alto desempenho ou tintas automóveis OEM. 2. Revestimento Simultâneo Inorgânico-Orgânico
Processo: Os agentes de revestimento inorgânicos e orgânicos são introduzidos simultaneamente no mesmo sistema de reacção para formar uma estrutura núcleo-casca.
Características: A camada de revestimento apresenta uma maior adesão e um desempenho significativamente melhorado, adequado para aplicações de ponta (por exemplo, revestimentos aeroespaciais e nanocompósitos).
Outras Tecnologias Especiais de Revestimento
1. Revestimento de Nanopartículas
Princípio: A utilização de nanopartículas (por exemplo, nano-SiO₂, nano-ZnO) para revestimento aumenta a proteção UV e a transparência, sendo comummente utilizado em cosméticos para proteção solar e revestimentos óticos.
2. Microencapsulamento
Princípio: Encapsular as partículas de dióxido de titânio em microcápsulas poliméricas, libertando o dióxido de titânio através do controlo das condições de rutura da cápsula (por exemplo, temperatura, pH), adequado para revestimentos inteligentes e sistemas de libertação controlada.
A seleção dos diferentes métodos de revestimento depende da aplicação (por exemplo, revestimentos, plásticos, tintas, cosméticos) e dos requisitos de desempenho (resistência às intempéries, dispersibilidade, compatibilidade, etc.).
Seis métodos principais de modificação do óxido de zinco nano
O nanoóxido de zinco é um novo tipo de material químico inorgânico fino funcional. Devido ao seu pequeno tamanho de partícula e grande área superficial específica, possui propriedades físico-químicas únicas em química, ótica, biologia e eletrónica. É amplamente utilizado em aditivos antimicrobianos, catalisadores, borracha, corantes, tintas de impressão, revestimentos, vidro, cerâmicas piezoelétricas, optoelectrónica e aplicações químicas diárias, sendo bastante promissor em termos de desenvolvimento e utilização.
No entanto, devido à sua grande área superficial específica e elevada energia superficial específica, o nanoóxido de zinco apresenta uma forte polaridade superficial, propenso à autoaglomeração e difícil de dispersar uniformemente em meios orgânicos, limitando significativamente o seu nanoefeito. Portanto, a dispersão e a modificação da superfície dos pós de nanoóxido de zinco são tratamentos essenciais antes que os nanomateriais possam ser aplicados em matrizes.
1. Modificação de Tensoativos
A modificação dos tensioativos envolve a interação eletrostática dos tensioativos para formar um revestimento orgânico na superfície dos nanomateriais, melhorando assim a sua compatibilidade com as matrizes orgânicas.
Embora a modificação dos tensioativos seja um processo simples, a sua eficácia é geralmente baixa, dificultando a formação de um revestimento estável e robusto na superfície dos nanomateriais.
2. Modificação Mecanoquímica
A modificação mecanoquímica utiliza forças mecânicas para alterar as propriedades físicas e químicas dos nanomateriais, aumentando assim a sua afinidade e reatividade com outras substâncias.
No entanto, a modificação mecanoquímica é normalmente muito demorada e geralmente apresenta resultados insatisfatórios para os nanomateriais.
3. Modificação de Alta Energia
A modificação de alta energia envolve a polimerização de monómeros de compostos orgânicos utilizando tratamento de plasma ou radiação, que depois reveste a superfície do nanomaterial.
A modificação de alta energia geralmente consegue melhores resultados do que os dois métodos anteriores, mas apresenta desvantagens como o elevado consumo de energia e a dificuldade técnica.
4. Modificação por Esterificação
A esterificação é um método de modificação de superfície que utiliza grupos de ácido carboxílico em modificadores, como ácidos gordos superiores ou ácidos orgânicos insaturados, para reagir com grupos hidroxilo na superfície de um nanomaterial e obter a esterificação.
O método de esterificação é simples, mas o seu efeito de modificação é baixo e geralmente necessita de ser utilizado em conjunto com um agente de acoplamento.
5. Enxerto de Polímero
O enxerto de polímero envolve primeiro o enxerto de um monómero de polímero na superfície de um nanomaterial, depois o início de uma reação de polimerização para estender a cadeia carbónica e, finalmente, permitir que o polímero cubra todo o nanomaterial.
O método de enxertia de polímero é complexo de operar e o efeito da modificação é afetado por vários fatores, dificultando a sua ampla aplicação.
6. Modificação por Agente de Acoplamento
Um agente de acoplamento baseia-se num elemento de silício ou metal, com dois grupos diferentes em cada lado que se podem ligar a matrizes inorgânicas e orgânicas. Estes três componentes trabalham em conjunto para obter a modificação química do nanomaterial. O óxido de nanozinco foi modificado com o agente de acoplamento de silano APS. Tanto o óxido de nanozinco modificado como o não modificado foram dispersos em etanol anidro para preparar tintas de impressão para utilização como materiais de camadas de transporte de eletrões em células fotovoltaicas. O desempenho das duas tintas foi então comparado. Os resultados mostraram que o óxido de nanozinco modificado foi melhor disperso em etanol anidro e permaneceu aglomerado durante 12 meses. O material da camada de transporte de eletrões preparado com este agente apresentou uma maior eficiência de transferência de eletrões e conseguiu cumprir os padrões de desempenho do dispositivo em espessuras mais finas.
O óxido de nanozinco foi quimicamente modificado utilizando agentes de acoplamento de silano contendo grupos funcionais gliciloxi e amino. Tanto o óxido de nanozinco modificado como o não modificado foram incorporados em revestimentos epóxi para testes de resistência ao intemperismo. Os resultados mostraram que os revestimentos epóxi que incorporam óxido de nanozinco modificado com o agente de acoplamento gliciloxisilano apresentaram alterações significativamente menores no ângulo de contacto, cor e grupos carbonilo após 450 horas de intemperismo acelerado, demonstrando uma resistência ao intemperismo significativamente melhorada em comparação com os revestimentos epóxi contendo óxido de nanozinco não modificado.
O método do agente de acoplamento é o método de modificação mais promissor devido à sua simplicidade, bom efeito de modificação e baixo custo.
Comparando os vários métodos de modificação de superfície acima referidos, e considerando tanto o efeito da modificação como a dificuldade, pode-se observar que o método de esterificação e o método do agente de acoplamento são mais adequados para a modificação de superfície de nanomateriais.