Переработка отходов неодима и железа и бора: сокровищница, которую нельзя пропустить
Постоянные магниты из неодима и железа (NdFeB) широко используются в ветроэнергетике, новых энергетических автомобилях и электронных изделиях благодаря своим превосходным магнитным свойствам, что дало им титул «Короля магнитов». Однако процент брака в процессе производства магнитов NdFeB достигает 30%, что в сочетании с их ограниченным сроком службы приводит к образованию большого количества отходов NdFeB.
Эти отходы содержат до 30% редкоземельных элементов, что значительно превышает содержание в первичных редкоземельных рудах, что делает их высокоценным вторичным ресурсом. Эффективное извлечение редкоземельных элементов из отходов NdFeB имеет решающее значение для обеспечения безопасности ресурсов редкоземельных элементов, снижения загрязнения окружающей среды и содействия устойчивому развитию.
Характеристики и источники отходов NdFeB
Отходы NdFeB в основном образуются из лома, бракованной продукции и снятых с производства электронных изделий, содержащих магниты. Их химический состав сложен; Помимо основных редкоземельных элементов Nd и Pr, для повышения коэрцитивной силы часто добавляют такие элементы, как Dy и Tb, а для улучшения общих характеристик – такие элементы, как Co, Al и Cu. В зависимости от содержания редкоземельных элементов (РЗЭ) отходы NdFeB можно разделить на три категории: низкое содержание редкоземельных элементов (РЗЭ < 20%), среднее содержание редкоземельных элементов (20–30%) и высокое содержание редкоземельных элементов (> 30%).
В настоящее время процессы переработки отходов NdFeB в основном подразделяются на пирометаллургические, гидрометаллургические и новые технологии переработки.
(I) Пирометаллургические процессы переработки
Пирометаллургическая переработка заключается в отделении редкоземельных элементов от железа посредством высокотемпературных реакций. Основные методы включают селективное окисление, разделение хлорированием, жидкое легирование и разделение шлаком и металлом.
Селективное окисление основано на том, что редкоземельные элементы имеют гораздо более высокое сродство к кислороду, чем железо. При высоких температурах редкоземельные элементы селективно окисляются с образованием оксидов, которые затем отделяются от металлического железа. Накамото и соавторы успешно получили смешанные оксиды редкоземельных элементов с чистотой более 95% и степенью извлечения более 99% благодаря точному контролю парциального давления кислорода.
Разделение хлорированием основано на сильном сродстве редкоземельных элементов к хлору. Хлорирующие агенты, такие как NH4Cl, FeCl2 или MgCl2, используются для перевода редкоземельных элементов в хлориды перед разделением. Уда использовал FeCl2 в качестве хлорирующего агента, реагирующего при 800 °C, что позволило достичь степени извлечения редкоземельных элементов 95,9% и чистоты продукта более 99%.
Метод жидкого сплавления основан на разнице в сродстве редкоземельных элементов к железу к другим металлам для эффективного обогащения и разделения редкоземельных элементов и железа. Редкоземельный элемент Nd может образовывать различные легкоплавкие сплавы с Ag, Mg и т. д.
Метод разделения шлака и металла основан на том, что редкоземельные элементы в отходах NdFeB легче соединяются с кислородом. Все металлы в отходах NdFeB преобразуются в оксиды металлов. Одновременно, под действием высокой температуры шлакообразующего агента, оксиды железа преобразуются в металлическое железо за счет регулирования восстановительных условий.
(II) Процесс мокрого восстановления
Мокрое восстановление в настоящее время является наиболее распространенным методом, включающим в себя, главным образом, метод полного растворения, метод избирательного растворения в соляной кислоте, метод осаждения двойной солью и метод экстракции растворителем.
(III) Новые процессы переработки
Новые технологии переработки направлены на решение проблем высокого энергопотребления и высокого уровня загрязнения, связанных с традиционными методами, включая водородный взрыв, биовыщелачивание и электрохимические методы.
Сравнение различных процессов переработки и их воздействия на окружающую среду
Пирометаллургические процессы характеризуются низкой производительностью и большой производительностью, но высоким энергопотреблением и сложностью разделения отдельных редкоземельных элементов; гидрометаллургические процессы характеризуются высокой степенью извлечения и чистотой продукта, но высоким расходом кислоты и высокими затратами на очистку сточных вод; новые процессы, такие как биовыщелачивание и электрохимические методы, являются экологически безопасными, но в основном находятся на стадии лабораторных исследований и пока не получили широкого распространения.
С точки зрения воздействия на окружающую среду, традиционные процессы переработки часто используют сильные кислоты, сильные щелочи и высокие температуры, что приводит к образованию большого количества жидких отходов и газообразных отходов, увеличивая нагрузку на окружающую среду. Поэтому разработка экологичных и экономичных процессов переработки имеет решающее значение.
Переработка отходов NdFeB — ключевой способ решения проблемы дефицита редкоземельных ресурсов и снижения загрязнения окружающей среды. Благодаря технологическим инновациям и соответствующему политическому руководству отрасль переработки NdFeB будет развиваться в направлении экологичности, низкой стоимости, коротких процессов и высокой степени извлечения, что придаст новый импульс устойчивому развитию.
Применение и разработка неорганических порошковых материалов в резиновой промышленности
Каучук широко используется в транспорте, машиностроении, электронике, оборонной промышленности и других отраслях народного хозяйства. Однако каучук имеет и существенные недостатки, такие как слабые межмолекулярные силы, большой свободный объем и плохая способность к самокристаллизации, что приводит к низким прочности и модулю упругости, а также к низкой износостойкости резиновых материалов. Поэтому для удовлетворения требований этих применений необходимо добавлять неорганические неметаллические наполнители.
В целом, неорганические неметаллические наполнители в резине выполняют следующие функции: армирование, наполнение (увеличение объема) и снижение стоимости, улучшение технологических характеристик, регулирование вулканизационных характеристик и придание специальных свойств.
Наиболее часто используемые неорганические неметаллические минеральные наполнители в резине
(1) Диоксид кремния
В настоящее время диоксид кремния является вторым по распространенности армирующим агентом в резиновой промышленности после технического углерода. Химическая формула диоксида кремния — SiO₂·nH₂O. Структура его частиц содержит множество пустот. Когда эти пустоты находятся в диапазоне от 2 до 60 нм, они легко соединяются с другими полимерами, что является основной причиной использования диоксида кремния в качестве армирующего агента. В качестве армирующего агента диоксид кремния может значительно повысить износостойкость и сопротивление разрыву материалов. Он также может значительно улучшить механические свойства шин и широко используется в транспортных средствах, приборах, аэрокосмической промышленности и других областях.
(2) Легкий карбонат кальция
Легкий карбонат кальция — один из первых и наиболее широко используемых наполнителей в резиновой промышленности. Добавление большого количества легкого карбоната кальция в резину позволяет увеличить объем продукта, тем самым экономя дорогостоящий натуральный каучук и снижая затраты. Резина с легким карбонатом кальция для наполнения может обладать более высокой прочностью на разрыв, износостойкостью и прочностью на разрыв, чем вулканизаты из чистого каучука. Он оказывает значительное армирующее действие как на натуральный, так и на синтетический каучук, а также может регулировать консистенцию. В кабельной промышленности он может обеспечить определенный уровень изоляции. (3) Каолин
Каолинит — это водный алюмосиликат, распространенный глинистый минерал. Его практическое применение в резине повышает эластичность, барьерные свойства, относительное удлинение и прочность на изгиб. Добавление модифицированного каолинита в бутадиен-стирольный каучук (SBR) значительно улучшает относительное удлинение, прочность на разрыв и твердость по Шору, а также продлевает срок его службы.
(4) Глина
Глина может добавляться в процессе производства шин в зависимости от требований технологического процесса. Глина используется в качестве наполнителя для снижения затрат. Однако для улучшения сцепления с резиной необходимо использовать активированную глину. Активированная или модифицированная глина может частично заменить технический углерод в составе резиновой смеси.
Исследования показывают, что с увеличением количества глины твердость, 300%-ное напряжение растяжения и прочность на растяжение резиновой смеси несколько снижаются, но это можно компенсировать корректировкой системы вулканизации. Использование глины в составе протектора после оптимизации системы также может снизить сопротивление качению.
(5) Сульфат бария
Он может эффективно повышать устойчивость к старению и атмосферным воздействиям резиновых изделий, таких как резина для шин и ремни. Кроме того, он может улучшить гладкость поверхности резиновых изделий. В качестве порошкообразного наполнителя для резины он не только повышает скорость нанесения порошка, но и обладает очевидными преимуществами с точки зрения экономической эффективности.
(6) Тальк
Тальк обычно подразделяется на промышленный тальк общего назначения и ультратонкий тальк. Первый, как наполнитель для резины, не играет армирующей роли и оказывает незначительное влияние на улучшение физических свойств резины. Поэтому промышленный тальк общего назначения часто используется в качестве разделительного агента. Ультратонкий тальк, напротив, обладает хорошим армирующим эффектом. При использовании в качестве наполнителя для резины прочность резины на разрыв равна прочности, создаваемой диоксидом кремния.
(7) Графит
Графит относится к пластинчатым силикатным неметаллическим минералам и обладает хорошей теплопроводностью, электропроводностью и смазывающей способностью. Использование графита в качестве наполнителя резины осуществляется по технологии, аналогичной той, которая используется для монтмориллонита: графит измельчается до наночастиц с помощью специальной технологии. Сочетание этих наночастиц с резиновой матрицей значительно улучшает различные функциональные свойства резины. Например, значительно улучшаются электропроводность, теплопроводность, воздухонепроницаемость и механические свойства.
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.