Типы и области применения технологии сфероидизации порошков
Технология сфероидизации порошков, неотъемлемая часть современной промышленности и науки, позволяет улучшить поверхностные характеристики и физические свойства порошков, оптимизировать эксплуатационные характеристики материалов и удовлетворить многофункциональные требования. В настоящее время технология сфероидизации порошков проникла во многие области, включая фармацевтику, пищевую промышленность, химическую промышленность, охрану окружающей среды, материаловедение, металлургию и 3D-печать.
Технология получения сферических порошков включает в себя множество дисциплин, включая знания в области химии, материаловедения и машиностроения. Ниже мы рассмотрим различные технологии, используемые в сфероидизации порошков.
Механический метод формования
Механические методы формования в основном используют ряд механических сил, таких как столкновение, трение и сдвиг, для пластической деформации и адсорбции частиц. Непрерывная обработка приводит к образованию более плотных частиц, а острые края постепенно сглаживаются и закругляются под действием ударной силы. Механические методы формования используют высокоскоростные ударные мельницы, мельницы с перемешиванием сред и другое измельчающее оборудование для получения тонкодисперсных порошковых материалов. В сочетании с сухим и мокрым измельчением эти методы позволяют получать порошковые материалы с более мелким размером частиц, более узким распределением размеров и определенной степенью сфероидизации.
Механическое формование широко применяется для сфероидизации и формования частиц природного и искусственного графита, а также цемента. Оно также подходит для дробления и измельчения хрупких металлических и сплавных порошков. Механическое формование позволяет использовать широкий спектр недорогого сырья, полностью используя имеющиеся ресурсы. Этот метод обладает такими преимуществами, как простота, экологичность и промышленная масштабируемость. Однако этот метод не очень селективен к используемым материалам и не может гарантировать сферичность, насыпную плотность и выход готовых частиц. Поэтому он подходит только для получения сферических порошков с более низкими требованиями к качеству.
Распылительная сушка
Распылительная сушка заключается в распылении жидкого вещества в капли, которые затем быстро испаряются в потоке горячего воздуха, затвердевая в твердые частицы. Преимуществами распылительной сушки являются простота и легкость управления свойствами продукта. В основном он используется в области взрывчатых веществ военного назначения и аккумуляторов.
Газофазная химическая реакция
Газофазная химическая реакция использует газообразное сырье (или испаряет твердое сырье в газообразное состояние) для получения желаемого соединения посредством химической реакции. Это соединение затем быстро конденсируется для получения ультрадисперсных сферических порошков различных веществ.
Гидротермальный метод
Гидротермальный метод использует реактор, работающий в условиях высокой температуры и давления, с водой или органическим растворителем в качестве реакционной среды для химической реакции. Размер частиц можно эффективно контролировать, регулируя такие параметры, как температура гидротермальной обработки, время гидротермальной обработки, pH и концентрация раствора.
Метод осаждения
Метод осаждения заключается в соединении ионов металлов со специфическим осадителем посредством химической реакции в растворе, в результате чего образуются мельчайшие полутвердые коллоидные частицы и формируется стабильная суспензия. Затем, путем дальнейшего регулирования условий реакции осаждения, таких как статическое старение, медленное перемешивание или изменение среды раствора, эти коллоидные частицы постепенно агрегируют и приобретают сферическую форму, образуя первичный сферический осадок. Полученный осадок затем сушат или прокаливают для получения сферического порошкообразного материала.
Золь-гель метод
Золь-гель метод обычно включает три стадии: приготовление золя, образование геля и образование сферического порошка. Термическая обработка может дополнительно улучшить структуру и свойства сферического порошка, позволяя точно контролировать размер и морфологию частиц.
Метод микроэмульсии
Метод микроэмульсии представляет собой метод приготовления двухфазной системы «жидкость-жидкость». Этот метод включает добавление органического растворителя, содержащего растворенный прекурсор, к водной фазе для образования эмульсии, содержащей мельчайшие капли. Затем в результате нуклеации, коалесценции, агломерации и термической обработки образуются сферические частицы. Микроэмульсионные методы широко используются для получения наночастиц и органо-неорганических композитных материалов.
Плазменная сфероидизация
В связи с быстрым развитием высоких технологий и острой потребностью в новых наноматериалах и новых процессах получения, исследования и применение плазмохимии привлекают всё большее внимание. Плазменная сфероидизация, характеризующаяся высокой температурой, высокой энтальпией, высокой химической активностью и контролируемыми атмосферой и температурой реакции, идеально подходит для получения высокочистых мелкодисперсных сферических порошков.
Другие методы включают дефлаграцию, гранулирование в газовом пламени, ультразвуковое распыление, центробежное распыление, резку проволокой, штамповку и переплавку, а также импульсное микропористое распыление.
Как модифицировать поверхность порошка нитрида кремния?
Модификация поверхности порошка нитрида кремния в первую очередь включает обработку поверхности порошка различными физическими и химическими методами для улучшения физических и химических свойств частиц.
Модификация поверхности позволяет снизить взаимное притяжение между частицами порошка, что способствует лучшему диспергированию порошка в среде и улучшает диспергируемость порошковой суспензии. Она также может повысить поверхностную активность порошка нитрида кремния, повышая его совместимость с другими веществами и, таким образом, приводя к появлению новых свойств.
Основной принцип модификации поверхности порошка заключается в том, что взаимодействие порошка с модификатором поверхности улучшает смачиваемость поверхности порошка и улучшает его диспергирование в водных или органических средах.
1. Модификация поверхностного покрытия
Технология модификации поверхностного покрытия использует физическую или химическую адсорбцию для равномерного закрепления материала покрытия на поверхности покрываемого объекта, образуя равномерный и сплошной слой покрытия. Слой покрытия, образующийся в процессе нанесения покрытия, обычно представляет собой монослой.
Модификация покрытий обычно подразделяется на неорганическую и органическую. Нанесение неорганических покрытий, в первую очередь, предполагает нанесение соответствующих оксидов или гидроксидов на поверхность керамических частиц для модификации порошка, но эта модификация влияет только на физические свойства. Нанесение органических покрытий, в свою очередь, предполагает выбор органических веществ в качестве материалов покрытия. Эти органические вещества связываются с группами на поверхности частиц порошка и селективно адсорбируются на поверхности, придавая порошку свойства слоя покрытия.
Эта технология модификации отличается низкой стоимостью, простотой и лёгкостью контроля, но конечные результаты часто ограничены.
2. Обработка поверхности кислотой и щелочью
Для процессов формования керамики обычно требуются керамические шликеры с высоким содержанием твёрдых частиц и низкой вязкостью. Плотность заряда на поверхности порошка существенно влияет на реологические свойства и дисперсность шликера. Промывка поверхности керамического порошка (кислотная и щелочная обработка) может изменить свойства поверхностного заряда порошка. Как следует из названия, этот метод модификации включает тщательное перемешивание и промывку порошка нитрида кремния растворами кислот или щелочей различной концентрации.
В то же время щелочная обработка определенной концентрации также может вступать в реакцию с поверхностью керамических порошков. Исследования Ван Юнмина и соавторов показали, что щелочная промывка может снизить содержание силанолов на поверхности порошка карбида кремния, снижая его степень окисления, изменяя электростатическое отталкивание между частицами и улучшая реологические свойства суспензии.
3. Модификация диспергатора
Учитывая различия между различными типами керамических порошков, выбор подходящего диспергатора или разработка нового играет ключевую роль в увеличении содержания твердой фазы в керамической суспензии. Тип и количество добавляемого диспергатора могут существенно влиять на свойства керамики.
Диспергаторы, как правило, имеют как гидрофильную, так и гидрофобную структуру, и именно посредством взаимодействия между этими гидрофильными и гидрофобными группами они регулируют дисперсионные свойства керамической суспензии. К диспергаторам относятся поверхностно-активные вещества или полимерные электролиты, причем поверхностно-активные вещества бывают катионными и анионными.
Полимерные электролиты включают поливинилсульфоновую кислоту, полиакриловую кислоту, поливинилпиридин и полиэтиленимин. Диспергаторы могут вступать в реакции адсорбции с поверхностью порошка, включая химическую и физическую адсорбцию, используя межчастичные силы (силы Ван-дер-Ваальса и электростатическое отталкивание) и потенциальные стерические эффекты.
4. Модификация гидрофобности поверхности
Модификация гидрофобности поверхности включает преобразование гидроксильных групп керамического порошка в гидрофобные группы, такие как углеводородные, длинноцепочечные алкильные и циклоалкильные. Эти органические группы связываются с поверхностью керамического порошка, оказывая сильный гидрофобный эффект, что обеспечивает лучшее диспергирование в дисперсионной среде и предотвращает агломерацию.
При прививке полимеров на поверхность порошка нитрида кремния длинные полимерные цепи прикрепляются к поверхности порошка, в то время как гидрофильные цепи на других концах выходят в водную среду. На протяжении всего процесса диспергирования частицы порошка испытывают как межчастичное отталкивание, так и стерические препятствия, создаваемые длинными полимерными цепями, что приводит к лучшему диспергированию суспензии.
Четыре инновационных направления применения каолина и перспективы
Каолин, слоистый силикатный минерал с соотношением фаз 1:1, обладает многочисленными свойствами, включая дисперсность, пластичность, спекаемость, огнеупорность, ионообменную способность и химическую стабильность, что обеспечивает его широкое применение в различных отраслях промышленности. В настоящее время каолин применяется в основном в традиционных отраслях, таких как производство керамики, бумаги и огнеупоров.
1. Высокоэффективные композиты
Применение каолина в композитах позволяет улучшить поверхностные свойства материалов (например, адсорбционную способность).
Преимущества каолина в композитах включают повышение адсорбционных свойств, улучшение электрических свойств, повышение термостойкости/огнестойкости и улучшение механической стабильности. Однако практическое применение по-прежнему сталкивается с трудностями, такими как недостаточная дисперсность и совместимость каолина с поверхностью раздела, что может ограничивать его эффективность.
Будущие направления исследований включают разработку более эффективных и экологичных технологий модификации поверхности каолина для улучшения его дисперсности и совместимости с матричными материалами; Исследование разработки многофункциональных композитов на основе каолина для удовлетворения потребностей конкретных областей применения, таких как сбор энергии, очистка сточных вод и пожарная безопасность; а также дальнейшее увеличение удельной площади поверхности каолина и количества активных центров посредством наномасштабной обработки и молекулярной манипуляции, что позволит повысить его эксплуатационные характеристики. Кроме того, необходимо прилагать усилия для продвижения низкозатратных и экологически безопасных процессов производства каолиновых композитов, а также для интеграции интеллектуальных производственных технологий для достижения широкомасштабного применения.
2. Пористые материалы: молекулярные сита
Молекулярные сита – это материалы с упорядоченной структурой пор, которые избирательно адсорбируют различные молекулы. Они широко используются в нефтепереработке, нефтехимии, сельском хозяйстве и водоподготовке. Каолин, распространенный и недорогой природный минерал, богатый кремнеземом и глиноземом, может быть непосредственно использован для синтеза цеолитных молекулярных сит. По сравнению с традиционными и потенциально токсичными источниками кремния и алюминия, каолин не только экологичен, но и снижает затраты и упрощает процесс синтеза.
Каолин не только активирует активность силикатов и оксида алюминия посредством простых предварительных обработок, таких как прокаливание и кислотное выщелачивание, но и дополнительно повышает эффективность молекулярных сит за счет манипуляций с темплатирующим агентом и оптимизации температуры.
3. Биомедицина
Каолин — это тип наносиликатного глинистого минерала, характеризующийся превосходной биосовместимостью, высокой удельной площадью поверхности, химической инертностью, коллоидными свойствами и тиксотропией. В области биомедицины исследования постепенно смещаются от базовых применений в качестве носителей лекарств к более сложным биомедицинским приложениям, таким как генная терапия и 3D-биопечать. Области применения каолина расширились от простых физических носителей и высвобождения лекарств до сложных систем, стимулирующих рост клеток и доставку генов.
4. Хранение энергии
Хранение энергии всегда было актуальной темой. Поиск эффективных и устойчивых решений для хранения энергии — один из ключевых путей решения глобальных энергетических проблем. Каолин, благодаря своей уникальной структуре и многофункциональности, стал идеальным кандидатом для хранения энергии. Каолин используется в различных устройствах накопления энергии, таких как литий-ионные аккумуляторы, суперконденсаторы и микробные топливные элементы.
Перспективы применения каолина в будущем заключаются в следующем:
a. Исследования и разработки инновационных материалов будут сосредоточены на технологиях нанообработки каолина и модификации его поверхности с целью повышения его эффективности в электронике, системах накопления энергии и других областях. Например, нанокомпозиты на основе каолина могут быть разработаны путем их комбинирования с полимерами или углеродными материалами для повышения механической прочности и проводимости.
b. Каолин обладает потенциалом для решения таких экологических проблем, как очистка воды и рекультивация почв, в частности, для удаления тяжелых металлов и адсорбции загрязняющих веществ.
c. Интеграция междисциплинарных технологий будет способствовать инновационному применению каолина в области биофармацевтики, включая биотехнологии для разработки систем доставки лекарств или биоактивных каркасов.
d. В связи с растущим рыночным спросом на экологически чистые материалы компаниям следует укреплять сотрудничество с научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими организациями для преобразования инновационных разработок в конкурентоспособную продукцию, такую как высокотемпературная, прочная каолиновая керамика или лёгкие композиты.
e. В условиях глобального акцента на устойчивое развитие, политическая поддержка и экономическая целесообразность будут влиять на направление исследований и разработок в области каолина и его применения. Поэтому отрасли необходимо внимательно следить за наличием ресурсов и оптимизировать затраты, одновременно усиливая управление рисками и повышая глобальную конкурентоспособность для соответствия сложной международной обстановке.
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.
Потенциал монтмориллонита в области новой энергетики
Монтмориллонит (ММТ) — слоистый силикатный минерал. В его структуре высоковалентные атомы алюминия в алюмокислородных октаэдрах легко замещаются атомами с меньшей валентностью, что приводит к возникновению отрицательного заряда между слоями. Для поддержания стабильности межслоевой структуры монтмориллонит адсорбирует из окружающей среды такие катионы, как Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ и K+. Эта характеристика обеспечивает монтмориллониту высокую адсорбционную и катионообменную способность. Уникальная структура и обменная емкость наделяют монтмориллонит значительным потенциалом для применения в области новых энергетических технологий.
Материалы для литиевых аккумуляторов
(1) Для твердотельных электролитов
Многочисленные исследования показали, что монтмориллонит (ММТ), как новый неорганический наполнитель, может значительно улучшить ионную проводимость и механические свойства твердых полимерных электролитов (ТПЭ).
(2) Создание искусственных слоев SEI
В пленках искусственного твердого электролита (SEI) слоистый монтмориллонит-литий (Li-MMT) придает слою SEI хорошие механические свойства и создает каналы для переноса Li+, что способствует подавлению роста литиевых дендритов. Благодаря быстрым каналам Li+ в Li-MMT, полный элемент Li-LiFePO4, собранный со слоем SEI Li-MMT, демонстрирует превосходные скоростные характеристики и сохраняет высокую емкость 90,6% после 400 циклов при токе 1С.
(3) Оптимизация сепаратора
MMT используется для оптимизации сепараторов благодаря своим превосходным адсорбционным свойствам. По сравнению с коммерческими полиэтиленовыми сепараторами, модифицированный Li-MMT сепаратор имеет более высокую концентрацию Li+ на границе раздела электрод/электролит, что снижает селективное осаждение лития, снижает локальную плотность тока и подавляет рост дендритов.
(4) Оптимизация жидких электролитов
В системах литий-металлических аккумуляторов, по сравнению с электролитами на основе ПЭО, монтмориллонит проявляет более сильное сродство к металлическому литию, имея дзета-потенциал +26 мВ, что способствует обогащению ионов лития вблизи поверхности монтмориллонита. При адсорбции и отделении ионов лития перенапряжение несколько увеличивается до -57,7 мВ, что способствует миграции ионов лития из монтмориллонита и их осаждению на поверхности медного токосъемника.
(5) Материалы-носители
Суперконденсаторы
Материалы-шаблоны
Некоторые природные минералы имеют специфическую морфологию, например, аттапульгит, монтмориллонит, галлуазит и диатомит, которые обычно используются в качестве шаблонов для синтеза пористых углеродных материалов с заданной морфологией. Кроме того, с помощью метода минеральных шаблонов можно синтезировать проводящие полимеры с заданной морфологией. (2) Материалы-носители электродов
Для получения активных материалов со специфической морфологией, а также для повышения удельной емкости и повышения стабильности при циклировании, активные материалы можно наносить на поверхность таких минералов, как монтмориллонит и галлуазит.
Материалы для хранения метана
В настоящее время исследователи изучают возможность использования адсорбционной технологии хранения природного газа, которая является экономичной, удобной и безопасной, в качестве альтернативы традиционным технологиям хранения сжатого и сжиженного природного газа. Исследования показали, что глинистые минералы играют положительную роль в формировании и разработке месторождений сланцевого газа и обладают способностью к хранению газа.
Электрокаталитические материалы
Электрокатализ — это тип катализа, ускоряющий реакции переноса заряда на границе раздела электрод/электролит, и широко применяется в таких областях, как электрохимическое выделение водорода, выделение кислорода и восстановление оксидов азота (NOx). Глинистые минералы, такие как монтмориллонит, широко используются в качестве носителей для компонентов фотоэлектрокаталитических электродных реакций для предотвращения агрегации частиц, повышения стабильности молекул сенсибилизатора и повышения селективности реакции.
Материалы для хранения тепловой энергии с фазовым переходом
Материалы для хранения тепловой энергии с фазовым переходом (PCM) — это новый тип функциональных материалов, использующих поглощение или выделение тепла при фазовом переходе для накопления и высвобождения тепловой энергии. Природные минералы играют важную роль в области хранения тепловой энергии с фазовым переходом. С одной стороны, сами по себе природные минералы являются превосходными неорганическими материалами для хранения тепловой энергии с фазовым переходом и могут быть переработаны в высокоэффективные материалы для хранения тепловой энергии с фазовым переходом после добавления соответствующих зародышеобразователей и загустителей. С другой стороны, пористая структура минералов может служить отличным носителем для материалов для хранения тепловой энергии с фазовым переходом.
Модификация порошкового покрытия на основе диоксида титана
Модификация поверхности порошка диоксида титана (титановых белил) — важный метод улучшения его характеристик (таких как диспергируемость, атмосферостойкость, блеск и химическая стабильность). Распространенные методы модификации поверхности можно разделить на три основных типа: неорганические покрытия, органические покрытия и композитные покрытия. Ниже приводится подробная классификация и краткое описание этих методов:
Модификация неорганическими покрытиями
Этот метод заключается в нанесении на поверхность частиц диоксида титана слоя неорганических оксидов или солей, образующих физический барьер для повышения его химической стабильности и оптических свойств.
1. Оксидное покрытие
Принцип: Гидраты оксидов металлов (такие как SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ и т. д.) осаждаются на поверхность частиц диоксида титана, образуя равномерный слой покрытия.
Процесс: Обычно используется метод осаждения в жидкой фазе, при котором соли металлов (например, силикат натрия, сульфат алюминия) добавляются в суспензию диоксида титана, а pH регулируется для осаждения гидратов оксидов металлов на поверхность.
2. Композитное оксидное покрытие
Принцип: Нанесение покрытия из двух или более оксидов металлов (например, Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂ и т. д.), объединяющего преимущества каждого компонента.
Особенности: Превосходные общие характеристики; например, покрытие Al₂O₃-SiO₂ может одновременно улучшить диспергируемость и атмосферостойкость, что подходит для сложных автомобильных покрытий и рулонных покрытий.
3. Солевое покрытие
Принцип: Использование солей металлов (например, фосфатов, силикатов, сульфатов и т. д.) для формирования нерастворимого солевого слоя на поверхности частиц диоксида титана.
Модификация органических покрытий
Этот метод включает реакцию органических соединений с гидроксильными группами на поверхности диоксида титана, в результате чего образуется органический молекулярный слой, улучшающий его совместимость с органическими средами. 1. Нанесение покрытия с использованием связующего агента
Принцип: Используя амфифильную структуру связующих агентов (таких как силаны, титанаты и алюминаты), один конец молекулы связывается с гидроксильными группами на поверхности диоксида титана, а другой реагирует с органической матрицей (например, смолой, полимером).
Функции:
Силановые связующие агенты: улучшают диспергируемость диоксида титана в водных системах, обычно используемых в покрытиях и чернилах на водной основе.
Титанатно-алюминатные связующие агенты: улучшают совместимость в масляных системах, таких как пластики и резина, уменьшая агломерацию в процессе переработки.
2. Покрытие поверхностно-активными веществами
Принцип: Поверхностно-активные вещества (такие как жирные кислоты, сульфонаты и четвертичные аммониевые соли) связываются с поверхностью диоксида титана посредством физической адсорбции или химической реакции, образуя заряженный или гидрофобный слой.
3. Покрытие полимерами
Принцип: Прививка полимеров (таких как акрилаты, эпоксидные смолы и силоксаны) на поверхность диоксида титана посредством реакций полимеризации.
Функции:
Формирование толстого слоя покрытия, обеспечивающего дополнительную защиту от химического воздействия и улучшающего атмосферостойкость и механические свойства.
Повышение совместимости со специальными смолами, что делает его пригодным для высокопроизводительных композитов и покрытий.
4. Покрытие кремнийорганическими соединениями
Принцип: Использование низкой поверхностной энергии полисилоксанов (силиконового масла, силиконовой смолы и т. д.) для покрытия частиц диоксида титана.
Функции: Снижение поверхностного натяжения, улучшение диспергируемости и смазывающей способности, широко используется в чернилах и косметике.
Модификация композитных покрытий
Сочетая преимущества неорганических и органических покрытий, двухкомпонентный процесс нанесения покрытия (последовательный или одновременный) обеспечивает взаимодополняющие характеристики.
1. Последовательное неорганико-органическое покрытие
Процесс: Сначала формируется физический барьер с помощью неорганических оксидов (например, SiO₂), затем проводится органическая модификация с помощью связующих агентов или полимеров.
Характеристики: Обеспечивает баланс между атмосферостойкостью и совместимостью, подходит для высокоэффективных архитектурных покрытий или автомобильных красок OEM. 2. Одновременное неорганико-органическое покрытие
Процесс: Неорганические и органические агенты покрытия одновременно вводятся в одну и ту же реакционную систему для формирования структуры типа «ядро-оболочка».
Характеристики: Слой покрытия обладает более высокой адгезией и значительно улучшенными характеристиками, подходит для высокотехнологичных применений (например, аэрокосмических покрытий, нанокомпозитов).
Другие специальные технологии покрытий
1. Покрытие на основе наночастиц
Принцип: Использование наночастиц (например, нано-SiO₂, нано-ZnO) для покрытия усиливает защиту от УФ-излучения и прозрачность, что широко используется в солнцезащитных косметических средствах и оптических покрытиях.
2. Микрокапсулирование
Принцип: Инкапсуляция частиц диоксида титана в полимерные микрокапсулы с последующим высвобождением диоксида титана путем контроля условий разрыва капсулы (например, температуры, pH), что подходит для интеллектуальных покрытий и систем с контролируемым высвобождением.
Выбор различных методов нанесения покрытия зависит от области применения (например, покрытия, пластики, чернила, косметика) и требований к эксплуатационным характеристикам (атмосферостойкость, диспергируемость, совместимость и т. д.).
Шесть основных методов модификации нанооксида цинка
Нанооксид цинка — это новый тип функционального тонкодисперсного неорганического химического материала. Благодаря малому размеру частиц и большой удельной площади поверхности он обладает уникальными физико-химическими свойствами в химии, оптике, биологии и электронике. Он широко используется в антимикробных добавках, катализаторах, резине, красителях, чернилах, покрытиях, стекле, пьезокерамике, оптоэлектронике и в бытовой химии, открывая большие перспективы для разработки и применения.
Однако из-за большой удельной площади поверхности и высокой удельной поверхностной энергии нанооксид цинка обладает сильной поверхностной полярностью, склонен к самоагломерации и трудно равномерно диспергируется в органических средах, что существенно ограничивает его наноэффект. Поэтому диспергирование и модификация поверхности порошков нанооксида цинка являются необходимыми этапами обработки перед применением наноматериалов в матрицах.
1. Модификация поверхностно-активными веществами
Модификация поверхностно-активными веществами включает электростатическое взаимодействие поверхностно-активных веществ с образованием органического покрытия на поверхности наноматериалов, что улучшает их совместимость с органическими матрицами.
Хотя модификация поверхностно-активными веществами — простой процесс, её эффективность, как правило, низкая, что затрудняет формирование стабильного и прочного покрытия на поверхности наноматериалов.
2. Механохимическая модификация
Механохимическая модификация использует механические силы для изменения физических и химических свойств наноматериалов, тем самым повышая их сродство и реакционную способность по отношению к другим веществам.
Однако механохимическая модификация обычно занимает много времени и, как правило, даёт неудовлетворительные результаты для наноматериалов.
3. Высокоэнергетическая модификация
Высокоэнергетическая модификация включает полимеризацию мономеров органических соединений с использованием плазменной или радиационной обработки, которые затем покрывают поверхность наноматериала.
Высокоэнергетическая модификация обычно обеспечивает лучшие результаты, чем два предыдущих метода, но имеет такие недостатки, как высокое энергопотребление и технические сложности.
4. Эстерификация и модификация
Эстерификация — это метод модификации поверхности, при котором карбоксильные группы модификаторов, таких как высшие жирные кислоты или ненасыщенные органические кислоты, взаимодействуют с гидроксильными группами на поверхности наноматериала, обеспечивая этерификацию.
Метод этерификации прост, но его модифицирующий эффект незначителен, и обычно его необходимо использовать в сочетании с аппретом.
5. Прививка полимера
Прививка полимера включает в себя сначала прививку полимерного мономера на поверхность наноматериала, затем инициирование реакции полимеризации для удлинения углеродной цепи и, наконец, покрытие полимером всего наноматериала.
Метод прививки полимера сложен в применении, и на эффект модификации влияют различные факторы, что затрудняет его широкое применение.
6. Модификация аппретом
Аппрет на основе кремния или металла имеет две различные группы с каждой стороны, которые могут связываться с неорганическими и органическими матрицами. Эти три компонента работают вместе, обеспечивая химическую модификацию наноматериала. Нанооксид цинка был модифицирован силановым связующим агентом APS. Как модифицированный, так и немодифицированный нанооксид цинка были диспергированы в безводном этаноле для приготовления печатных красок, используемых в качестве материалов для электронно-транспортного слоя в фотоэлектрических элементах. Затем были сравнены эксплуатационные характеристики двух красок. Результаты показали, что модифицированный нанооксид цинка лучше диспергируется в безводном этаноле и сохраняет агломерацию в течение 12 месяцев. Материал электронно-транспортного слоя, приготовленный с этим агентом, демонстрирует более высокую эффективность переноса электронов и может соответствовать стандартам производительности устройств при меньшей толщине.
Нанооксид цинка был химически модифицирован с использованием силановых связующих агентов, содержащих глицилокси- и аминофункциональные группы. Как модифицированный, так и немодифицированный нанооксид цинка были включены в эпоксидные покрытия для испытаний на атмосферостойкость. Результаты показали, что эпоксидные покрытия, включающие нанооксид цинка, модифицированный глицилоксисилановым связующим агентом, демонстрируют значительно меньшие изменения контактного угла, цвета и карбонильных групп после 450 часов ускоренного атмосферного воздействия, демонстрируя значительно улучшенную атмосферостойкость по сравнению с эпоксидными покрытиями, содержащими немодифицированный нанооксид цинка.
Метод с применением связующего агента является наиболее перспективным методом модификации благодаря простоте процесса, хорошему эффекту модификации и низкой стоимости.
Сравнивая различные методы модификации поверхности, упомянутые выше, и учитывая как эффект модификации, так и сложность, можно увидеть, что метод этерификации и метод с применением связующего агента более подходят для модификации поверхности наноматериалов.
Кальцинированный глинозем стал важным фактором развития керамической промышленности.
Прокаленный глинозем – неорганический неметаллический материал, получаемый из промышленного глинозема, прокаленного при высоких температурах. Он обладает множеством замечательных свойств. Во-первых, его высокая твёрдость – одна из его отличительных черт. Его твёрдость по шкале Мооса достигает 9, уступая только алмазу. Это делает керамические изделия из него исключительно износостойкими, сохраняя хороший внешний вид и структурную стабильность в течение длительного времени. Во-вторых, он обладает превосходной термостойкостью, способным выдерживать температуры, превышающие тысячи градусов Цельсия, без деформации и повреждений, что делает его особенно полезным в области высокотемпературной керамики. Кроме того, прокаленный глинозем обладает превосходной химической стабильностью и не подвержен химическим реакциям с другими веществами, что обеспечивает стабильные эксплуатационные характеристики керамических изделий.
Основные функции прокаленного глинозема в глазурях
Благодаря высокой чистоте, высокой твёрдости и превосходной химической стабильности прокаленный глинозем широко используется в глазурях, особенно для бытовой керамики, архитектурной керамики и керамики специального назначения. На практике он не только значительно повышает твёрдость и износостойкость глазурованной поверхности, эффективно уменьшая царапины и износ в процессе эксплуатации, тем самым продлевая срок службы керамических изделий, но и повышает химическую стабильность глазури, снижая риск кислотной и щелочной коррозии, а также повышая устойчивость изделия к образованию пятен и долговечность. Более того, добавление кальцинированного глинозема позволяет регулировать температуру плавления и вязкость глазури, улучшая её текучесть, предотвращая такие дефекты, как поры и усадка глазури, и обеспечивая более гладкую и ровную поверхность. Кроме того, его уникальные оптические свойства позволяют контролировать блеск глазури, придавая матовым глазурям изысканную текстуру и улучшая равномерность блеска глянцевых глазурей, что позволяет удовлетворить требования к дизайну различных керамических изделий.
В пигментном производстве прокаленный глинозем может служить стабильным носителем для пигментов на основе оксидов металлов (таких как оксид железа и оксид кобальта), препятствовать улетучиванию или диффузии пигментов при высоких температурах и предотвращать выцветание и выцветание глазури. Особенно в высокотемпературных глазурях он может фиксировать концентрацию цвета и постоянство тона, способствуя достижению насыщенных и долговечных декоративных эффектов в керамике. Он является ключевым фактором, способствующим разработке керамических цветных глазурей с высокими эксплуатационными характеристиками и высокой стабильностью.
Механизм действия оксидов редкоземельных элементов в магнезиально-кальциевых огнеупорах
Свойства элемента определяют его характеристики, и редкоземельные элементы не являются исключением. Их характеристики тесно связаны с их свойствами. Основными факторами, определяющими их физические свойства (такие как твёрдость, кристаллическая структура и температура плавления), являются их атомные и ионные радиусы. Редкоземельные металлы имеют высокие температуры плавления, которые увеличиваются с увеличением атомного номера, хотя эта тенденция не всегда постоянна. Редкоземельные элементы обычно теряют свои внешние s- и d-орбитальные электроны, образуя валентное состояние +3, образуя таким образом оксиды редкоземельных элементов. Это валентное состояние +3 является характерной степенью окисления редкоземельных элементов. Оксиды редкоземельных элементов имеют температуры плавления выше 2000 °C и являются нелетучими. Они являются полупроводниками смешанной проводимости с электронной и ионной проводимостью. Электронная проводимость относится к проводимости электронов и дырок, в то время как ионная проводимость относится к перемещению ионов кислорода внутри кислородных вакансий, по сути, к проводимости ионов кислорода.
Помимо использования редкоземельных элементов непосредственно в качестве компонентов матрицы или функциональных центров, основанных на оптических и магнитных свойствах 4f-электронов, их химические свойства, такие как химическая активность и большой ионный радиус, также могут быть использованы для модификации микроструктуры материала, тем самым улучшая его характеристики. Функциональная полупроводниковая керамика, легированная редкоземельными элементами, является ярким примером. Добавление оксидов редкоземельных элементов в огнеупорные материалы не только повышает и улучшает прочность и ударную вязкость материала, но и снижает температуру спекания и производственные затраты.
Благодаря своей нетоксичности, высокой эффективности и уникальным физико-химическим свойствам соединения редкоземельных элементов находят все более широкое применение в самых разных областях: от основных применений в металлургии, химической инженерии и керамике до современных применений в высокопроизводительных композитных материалах, таких как хранение водорода и люминесценция. Исследования применения оксидов редкоземельных элементов в керамических материалах привлекли всеобщее внимание. Исследования показали, что добавление оксидов редкоземельных элементов значительно улучшает характеристики керамических материалов, обеспечивая их качество и эксплуатационные характеристики в различных областях применения. Кроме того, оксиды редкоземельных элементов в качестве флюсов могут способствовать спеканию, улучшать микроструктуру керамики, а также обеспечивать легирование и модификацию.
Оксиды редкоземельных элементов в качестве добавок улучшают свойства огнеупорных материалов, демонстрируя свои уникальные и значительные преимущества в повышении эксплуатационных характеристик и придании им новых функций. Добавление небольших количеств оксидов редкоземельных элементов увеличивает плотность магнезиально-кальциевых огнеупоров, улучшая их плотность и коррозионную стойкость.
Оксиды редкоземельных элементов используются в качестве добавок в магнезиально-кальциевые огнеупоры для улучшения их спекаемости, компактности, микроструктуры, кристаллического фазового состава, прочности на изгиб при комнатной температуре и вязкости разрушения, тем самым удовлетворяя требованиям рынка к эксплуатационным характеристикам магнезиально-кальциевых огнеупоров. Существует три основных механизма добавления оксидов редкоземельных элементов в магнезиально-кальциевые огнеупоры. (1) Добавки в качестве флюсов могут способствовать спеканию. Температура спекания магниево-кальциевых огнеупорных материалов, как правило, высока, и существует множество факторов, не способствующих уплотнению в процессе спекания. Добавление оксидов редкоземельных элементов может решить эту проблему. Благодаря уникальным свойствам оксидов редкоземельных элементов, добавление оксидов редкоземельных элементов в огнеупорные материалы может изменить их внутреннюю структуру, тем самым способствуя спеканию магниево-кальциевых огнеупорных материалов. (2) Оксиды редкоземельных элементов могут улучшить микроструктуру магниево-кальциевых огнеупорных материалов. Добавление оксидов редкоземельных элементов может улучшить внутреннюю микроструктуру огнеупорных материалов. Это снижает скорость миграции границ зерен, подавляет рост зерен и способствует формированию плотной структуры. (3) Модификация легирования оксидов редкоземельных элементов. Легирование оксидов редкоземельных элементов в процессе приготовления огнеупорных материалов приведет к изменению кристаллической формы образца, тем самым вызывая изменение его объема. Это изменение может значительно улучшить его сопротивление изгибу и ударную вязкость. Исследования по добавлению добавок для улучшения и оптимизации свойств материалов в процессе производства огнеупоров всегда привлекали внимание. В настоящее время основное внимание уделяется проблеме, связанной с тем, что магнезиально-кальциевый песок трудно спекается и легко гидратируется. В качестве основных добавок используются ZrO2, Fe2O3, Al2O3, оксиды редкоземельных элементов и т.д.
Применение сульфата бария в 10 отраслях промышленности
Сульфат бария — незнакомый термин для большинства людей, и даже те, кто не знаком с химией, могут посчитать его опасным химическим веществом. Однако сульфат бария повсеместно встречается в нашей повседневной жизни, часто встречаясь в виде промышленных товаров. Например, большинство пластиковых изделий в наших домах, кондиционеры, пластиковые автомобильные детали, пакеты в супермаркетах, краски, покрытия и стекло могут содержать сульфат бария.
Применение сульфата бария в десяти основных отраслях промышленности
1. Нефтяная промышленность: баритовый порошок зернистостью 200 и 325 меш для добавок в буровые растворы для нефтяных и газовых месторождений.
2. Химическая промышленность: заводы по производству баритовой соли используют барит в качестве сырья для производства литопона, осажденного сульфата бария и карбоната бария.
3. Лакокрасочная промышленность: барит может использоваться в качестве наполнителя в красках и покрытиях, заменяя более дорогостоящее сырье, такое как осажденный сульфат бария, литопон, диоксид титана и активированный диоксид кремния. Подходит для регулирования вязкости краски и достижения яркого и стабильного цвета.
4. Производство пластмасс: Барит может использоваться в качестве наполнителя в АБС-пластике, придавая ему яркий блеск, а также повышая прочность, жесткость и износостойкость.
5. Производство резины: Баритовый порошок с размером ячеек менее 500 широко используется в качестве наполнителя в резиновых изделиях, снижая затраты и повышая твердость, кислото- и щелочестойкость, а также водостойкость. Он также обеспечивает отличное армирование натурального и синтетического каучука.
6. Бумажная промышленность: Высокодисперсный баритовый порошок может использоваться в качестве наполнителя и покрытия для белых досок и мелованной бумаги для повышения белизны и укрывистости поверхности. Характеристики продукта: 325 меш, 400 меш, 600 меш, 800 меш, 1250 меш, 1500 меш, 2000 меш, 2500 меш, 3000 меш, 4000 меш, 5000 меш, 6000 меш.
7. Цементная промышленность
Добавление композитных минерализаторов на основе барита и флюорита в цементное производство может повысить белизну и прочность цемента. Баритовый цемент может использоваться для производства баритового цемента, баритового раствора и баритового бетона, которые могут применяться в зданиях, требующих защиты от рентгеновского излучения.
8. Стекольная промышленность
Барит может использоваться в качестве раскислителя, осветлителя и флюса для повышения оптической стабильности, блеска и прочности стекла.
9. Строительная промышленность
Барит может использоваться в качестве заполнителя для бетона, дорожного покрытия, для армирования подземных трубопроводов в болотистых районах, а также в качестве замены свинцовым листам в защитных сооружениях на ядерных объектах, атомных электростанциях и рентгеновских лабораториях, продлевая срок службы дорожных покрытий.
10. Керамическая промышленность
Баритовый порошок также может использоваться в качестве высококачественного наполнителя в керамической и других отраслях промышленности. В настоящее время использование сульфата бария в керамической промышленности сокращается, в то время как использование порошка волластонита увеличивается.
Все десять упомянутых выше отраслей промышленности имеют решающее значение для жизнеобеспечения людей. Это свидетельствует о значимости и широком спектре применения сульфата бария – неорганического неметаллического минерального порошка.