أنواع وتطبيقات تقنية كروية المسحوق
تُعدّ تقنية كروية المساحيق جزءًا لا يتجزأ من الصناعة والعلوم الحديثة، حيث تُحسّن خصائص السطح والخصائص الفيزيائية للمساحيق، وتُحسّن أداء المواد، وتُلبي المتطلبات متعددة الاستخدامات. وقد دخلت هذه التقنية حاليًا مجالات عديدة، بما في ذلك الصناعات الدوائية، والأغذية، والمواد الكيميائية، وحماية البيئة، والمواد، وعلم المعادن، والطباعة ثلاثية الأبعاد.
تشمل تقنية تحضير المساحيق الكروية تخصصات متعددة، بما في ذلك الخبرة في الكيمياء، وعلوم المواد، والهندسة. سنستعرض أدناه التقنيات المختلفة المُستخدمة في كروية المساحيق.
طريقة التشكيل الميكانيكي
تستخدم طرق التشكيل الميكانيكي بشكل أساسي سلسلة من القوى الميكانيكية، مثل التصادم، والاحتكاك، والقص، لتشويه الجسيمات وامتصاصها بلاستيكيًا. تُنتج المعالجة المستمرة جسيمات أكثر كثافة، ويتم تنعيم الحواف الحادة تدريجيًا وتقريبها بواسطة قوة التأثير. تستخدم طرق التشكيل الميكانيكي مطاحن التأثير عالية السرعة، ومطاحن تحريك الوسائط، وغيرها من معدات الطحن لإنتاج مواد مسحوق ناعمة. عند الجمع بين الطحن الجاف والرطب، تُنتج هذه الطرق مواد مسحوقة ذات حجم جسيمات أدق، وتوزيع أضيق لحجم الجسيمات، ومعدل كروية محدد.
يُستخدم التشكيل الميكانيكي على نطاق واسع في كروية وتشكيل جسيمات الجرافيت الطبيعي والجرافيت الصناعي والإسمنت. كما أنه مناسب لسحق وتفتيت مساحيق المعادن أو السبائك الهشة. يستخدم التشكيل الميكانيكي مجموعة واسعة من المواد الخام منخفضة التكلفة، مستغلاً الموارد المتاحة بالكامل. يوفر مزايا مثل البساطة، والصداقة البيئية، وقابلية التوسع الصناعي. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة ليست انتقائية للغاية من حيث المواد، ولا تضمن كروية الجسيمات المعالجة، وكثافة الصنبور، وإنتاجيتها. لذلك، فهي مناسبة فقط لإنتاج مساحيق كروية ذات متطلبات جودة أقل.
التجفيف بالرش
يتضمن التجفيف بالرش تفتيت مادة سائلة إلى قطرات، تُبخّر بسرعة في تيار هواء ساخن، لتتصلب إلى جسيمات صلبة. ومن مزايا التجفيف بالرش بساطته وسهولة التحكم في خصائص المنتج. يُستخدم هذا التفاعل بشكل أساسي في مجالات المتفجرات والبطاريات العسكرية.
التفاعل الكيميائي في الطور الغازي
يستخدم التفاعل الكيميائي في الطور الغازي مواد خام غازية (أو يُبخّر مواد خام صلبة إلى حالة غازية) لإنتاج المركب المطلوب من خلال تفاعل كيميائي. يُكثّف هذا المركب بعد ذلك بسرعة لإنتاج مساحيق كروية فائقة الدقة من مواد مختلفة.
الطريقة الحرارية المائية
تستخدم الطريقة الحرارية المائية مفاعلًا تحت ظروف درجة حرارة وضغط مرتفعين، باستخدام الماء أو مذيب عضوي كوسط تفاعل. يمكن التحكم في حجم الجسيمات بفعالية من خلال ضبط معايير مثل درجة حرارة الماء الحرارية، وزمنه، ودرجة الحموضة، وتركيز المحلول.
طريقة الترسيب
تدمج طريقة الترسيب أيونات معدنية مع مادة مرسبة محددة من خلال تفاعل كيميائي في محلول، مما يُولّد جزيئات غروانية صغيرة شبه صلبة، ويشكل معلقًا مستقرًا. بعد ذلك، ومن خلال تعديل ظروف تفاعل الترسيب، مثل التعتيق الساكن، والتحريك البطيء، أو تغيير بيئة المحلول، تتجمع هذه الجسيمات الغروانية تدريجيًا وتنمو نحو الشكل الكروي، مُشكلةً راسبًا كرويًا أوليًا. يُجفف الراسب الناتج أو يُكلس ليُنتج في النهاية مسحوقًا كرويًا.
طريقة السول-جل
تتضمن طريقة السول-جل عادةً ثلاث مراحل: تحضير السول، وتكوين الهلام، وتكوين مسحوق كروي. تُحسّن المعالجة الحرارية بنية وخصائص المسحوق الكروي، مما يُتيح التحكم الدقيق في حجم الجسيمات وشكلها.
طريقة المستحلب الدقيق
طريقة المستحلب الدقيق هي طريقة تحضير نظام ثنائي الطور من سائل إلى سائل. تتضمن هذه الطريقة إضافة مذيب عضوي يحتوي على مادة أولية مذابة إلى طور مائي لتكوين مستحلب يحتوي على قطرات صغيرة. تتشكل الجسيمات الكروية بعد ذلك من خلال التنوي، والاندماج، والتكتل، والمعالجة الحرارية. تُستخدم طرق الاستحلاب الدقيق على نطاق واسع في تحضير الجسيمات النانوية والمواد المركبة العضوية وغير العضوية.
كروية البلازما
مع التطور السريع للتكنولوجيا المتقدمة والحاجة المُلِحّة لمواد نانوية جديدة وعمليات تحضير مُبتكرة، يتزايد الاهتمام بأبحاث وتطبيقات كيمياء البلازما. تتميز كروية البلازما بارتفاع درجة الحرارة، وارتفاع المحتوى الحراري، وتفاعلها الكيميائي، وأجواء التفاعل ودرجة حرارته المُتحكم بها، وهي مثالية لإنتاج مساحيق كروية عالية النقاء وجسيمات صغيرة.
تشمل الطرق الأخرى الاشتعال، والتحبيب بلهب احتراق الغاز، والذرات بالموجات فوق الصوتية، والذرات بالطرد المركزي، وقطع الأسلاك، والتثقيب، وإعادة الصهر، والرش النبضي للمسام الدقيقة.
كيفية تعديل سطح مسحوق نيتريد السيليكون؟
يتضمن تعديل سطح مسحوق نيتريد السيليكون بشكل أساسي معالجة سطح المسحوق بطرق فيزيائية وكيميائية متنوعة لتحسين خصائصه الفيزيائية والكيميائية.
يمكن لتعديل السطح أن يقلل من التجاذب المتبادل بين جزيئات المسحوق، مما يسمح بتشتته بشكل أفضل في الوسط، ويحسن قابلية تشتت ملاط المسحوق. كما يمكن أن يعزز النشاط السطحي لمسحوق نيتريد السيليكون، مما يزيد من توافقه مع المواد الأخرى، وبالتالي تطوير خصائص جديدة.
يتمثل المبدأ الرئيسي لتعديل سطح المسحوق في أن التفاعل بين المسحوق ومُعدِّل السطح يعزز قابلية ترطيب سطح المسحوق، ويحسن تشتته في الأوساط المائية أو العضوية.
1. تعديل طلاء السطح
تستخدم تقنية تعديل طلاء السطح الامتزاز الفيزيائي أو الكيميائي لربط مادة الطلاء بشكل موحد بسطح الجسم المطلي، مما يُشكل طبقة طلاء موحدة وكاملة. عادةً ما تكون طبقة الطلاء المتكونة أثناء عملية الطلاء أحادية الطبقة.
يُصنف تعديل الطلاء عمومًا إلى مواد غير عضوية وعضوية. يتضمن الطلاء غير العضوي أساسًا ترسيب أكاسيد أو هيدروكسيدات مناسبة على سطح جزيئات السيراميك لتعديل المسحوق، إلا أن هذا التعديل يؤثر فقط على الخصائص الفيزيائية. أما الطلاء العضوي، فيتضمن اختيار مواد عضوية كمواد طلاء. تترابط هذه المواد العضوية مع مجموعات على سطح جزيئات المسحوق، وتمتص بشكل انتقائي على السطح، مانحةً المسحوق خصائص طبقة الطلاء.
توفر تقنية التعديل هذه تكلفة منخفضة، وخطوات بسيطة، وسهولة في التحكم، إلا أن النتائج الناتجة غالبًا ما تكون محدودة.
2. معالجة السطح بالأحماض والقلويات
تتطلب عمليات صب السيراميك عمومًا ملاطًا سيراميكيًا عالي المحتوى من المواد الصلبة ولزوجة منخفضة. تؤثر كثافة الشحنة على سطح المسحوق بشكل كبير على انسيابية الملاط وقابليته للتشتت. يمكن أن يؤدي غسل سطح مسحوق السيراميك (المعالجات الحمضية والقلوية) إلى تغيير خصائص الشحنة السطحية للمسحوق. وكما يوحي الاسم، تتضمن طريقة التعديل هذه خلط مسحوق نيتريد السيليكون وغسله جيدًا بمحاليل حمضية أو قلوية بتركيزات مختلفة.
في الوقت نفسه، قد تتفاعل المعالجة القلوية بتركيز معين مع سطح مساحيق السيراميك. وقد أظهرت دراسة أجراها وانغ يونغ مينغ وآخرون أن الغسل القلوي يمكن أن يقلل من محتوى السيلانول على سطح مسحوق كربيد السيليكون، مما يخفض درجة تأكسدها، ويغير التنافر الكهروستاتيكي بين الجسيمات، ويحسن الخواص الريولوجية للخليط.
3. تعديل المشتت
بناءً على الاختلافات بين أنواع مساحيق السيراميك المختلفة، يلعب اختيار المشتت المناسب أو تصميم مشتت جديد دورًا رئيسيًا في زيادة محتوى المواد الصلبة في الخليط الخزفي. ويمكن لنوع وكمية المشتت المضافة أن تُغير بشكل كبير من تأثيرها على خصائص السيراميك.
تتميز المشتتات عمومًا بتركيبات محبة للماء وكارهة للماء، ومن خلال التفاعل بين هذه المجموعات المحبة للماء والكارهة للماء، تُعدل خصائص تشتت الخليط الخزفي. تشمل المشتتات مواد خافضة للتوتر السطحي أو إلكتروليتات بوليمرية، وتشمل هذه المواد مواد خافضة للتوتر السطحي كاتيونية وأنيونية.
تشمل إلكتروليتات البوليمر حمض البولي فينيل سلفونيك، وحمض البولي أكريليك، وبيريدين البولي فينيل، وبولي إيثيلين إيمين. يمكن للمشتتات أن تخضع لتفاعلات امتزاز مع سطح المسحوق، بما في ذلك الامتزاز الكيميائي والفيزيائي، مستفيدةً من قوى التفاعل بين الجسيمات (قوى فان دير فالس والتنافر الكهروستاتيكي) وإمكانية حدوث تأثيرات فراغية.
4. تعديل كراهية السطح للماء
يتضمن تعديل كراهية السطح للماء تحويل مجموعات الهيدروكسيل في مسحوق السيراميك إلى مجموعات كارهة للماء، مثل مجموعات الهيدروكربون، ومجموعات الألكيل طويلة السلسلة، ومجموعات سيكلو ألكيل. ترتبط هذه المجموعات العضوية بسطح مسحوق السيراميك، مما يُحدث تأثيرًا كارهًا للماء قويًا، مما يُتيح تشتتًا أفضل في وسط التشتت ويمنع التكتل.
عند تطعيم البوليمرات على سطح مسحوق نيتريد السيليكون، تلتصق سلاسل البوليمر الطويلة بسطح المسحوق، بينما تمتد السلاسل المحبة للماء في الأطراف الأخرى إلى الوسط المائي. خلال عملية التشتت، تتعرض جزيئات المسحوق للتنافر بين الجزيئات والعوائق الفراغية الناتجة عن سلاسل البوليمر الطويلة، مما يُحسّن تشتت المادة.
مجالات التطبيق الأربعة المبتكرة للكاولين وآفاقها
الكاولين، وهو معدن سيليكات ذو طبقات 1:1، يتميز بخصائص عديدة، منها قابلية التشتت، واللدونة، والتلبيد، وخواصه المقاومة للحرارة، وقابلية التبادل الأيوني، والاستقرار الكيميائي، مما يجعله مستخدمًا على نطاق واسع في مختلف المجالات الصناعية. تتركز تطبيقات الكاولين حاليًا بشكل رئيسي في الصناعات التقليدية مثل السيراميك، وصناعة الورق، والمواد المقاومة للحرارة.
1. المواد المركبة عالية الأداء
يمكن أن يُحسّن استخدام الكاولين في المواد المركبة خصائص سطح المواد (مثل قدرة الامتصاص).
تشمل فوائد الكاولين في المواد المركبة تحسين الامتصاص، وتحسين الخواص الكهربائية، وتحسين الاستقرار الحراري/مقاومة الحريق، وتحسين الاستقرار الميكانيكي. ومع ذلك، لا تزال التطبيقات العملية تُشكّل تحديات، مثل ضعف قابلية التشتت والتوافق السطحي للكاولين في المواد المركبة، مما قد يحد من فعاليته.
تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تطوير تقنيات أكثر كفاءة وصديقة للبيئة لتعديل سطح الكاولين لتحسين قابليته للتشتت وتوافقه مع مواد المصفوفة. استكشاف تصميم مركبات متعددة الوظائف قائمة على الكاولين لتلبية احتياجات تطبيقات محددة، مثل تجميع الطاقة، ومعالجة مياه الصرف الصحي، والسلامة من الحرائق؛ وزيادة مساحة سطح الكاولين وعدد مواقعه النشطة من خلال المعالجة النانوية والمعالجة الجزيئية، مما يُحسّن من أدائه. علاوة على ذلك، ينبغي بذل الجهود لتعزيز عمليات إنتاج منخفضة التكلفة وصديقة للبيئة لمركبات الكاولين، ودمج تقنيات التصنيع الذكية لتحقيق تطبيقات واسعة النطاق.
2. المواد المسامية: مجال المناخل الجزيئية
المناخل الجزيئية هي مواد ذات بنية مسامية منظمة تمتص جزيئات مختلفة بشكل انتقائي. تُستخدم على نطاق واسع في تكرير النفط، والبتروكيماويات، والزراعة، ومعالجة المياه. الكاولين، وهو معدن طبيعي شائع وغير مكلف غني بالسيليكا والألومينا، يمكن استخدامه مباشرةً في تصنيع المناخل الجزيئية للزيوليت. بالمقارنة مع مصادر السيليكون والألمنيوم التقليدية التي قد تكون سامة، فإن الكاولين ليس صديقًا للبيئة فحسب، بل يقلل أيضًا من التكاليف ويُبسط عملية التصنيع.
لا يقتصر دور الكاولين على تنشيط نشاط السيليكات والألومينا من خلال معالجات أولية بسيطة مثل التكليس والاستخلاص الحمضي، بل يُعزز أيضًا أداء المنخل الجزيئي من خلال التحكم بعوامل التشكيل وتحسين درجة الحرارة.
3. الطب الحيوي
الكاولين نوع من معادن الطين النانوية السيليكاتية، يتميز بتوافق حيوي ممتاز، ومساحة سطح نوعية عالية، وخمول كيميائي، وخصائص غروانية، وخاصية سيولة. في مجال الطب الحيوي، يتحول البحث تدريجيًا من تطبيقات حاملات الأدوية الأساسية إلى تطبيقات طبية حيوية أكثر تعقيدًا مثل العلاج الجيني والطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد. توسعت تطبيقات الكاولين من الدعم المادي البسيط وإطلاق الأدوية إلى أنظمة معقدة تعزز نمو الخلايا وتوصيل الجينات.
4. تخزين الطاقة
لطالما كان تخزين الطاقة موضوعًا ساخنًا. ويُعد البحث عن حلول تخزين طاقة فعّالة ومستدامة أحد المسارات الرئيسية لمواجهة تحديات الطاقة العالمية. وقد أصبح الكاولين، ببنيته الفريدة ووظائفه المتعددة، مرشحًا مثاليًا لتخزين الطاقة. يُستخدم الكاولين في مجموعة متنوعة من أجهزة تخزين الطاقة، مثل بطاريات أيونات الليثيوم، والمكثفات الفائقة، وخلايا الوقود الميكروبية.
تتمثل آفاق تطبيقات الكاولين المستقبلية فيما يلي:
أ. سيركز البحث والتطوير في مجال المواد المبتكرة على تقنيات معالجة الكاولين النانوية وتعديل أسطحه، بهدف تحسين أدائه في الإلكترونيات، وتخزين الطاقة، وغيرها من المجالات. على سبيل المثال، يمكن تطوير مركبات نانوية قائمة على الكاولين عن طريق دمجها مع البوليمرات أو المواد القائمة على الكربون لتحسين القوة الميكانيكية والتوصيل.
ب. يمتلك الكاولين القدرة على توفير حلول للقضايا البيئية، مثل معالجة المياه واستصلاح التربة، وخاصةً في إزالة المعادن الثقيلة وامتصاص الملوثات.
ج. سيعزز دمج التقنيات متعددة التخصصات التطبيق المبتكر للكاولين في مجال المستحضرات الصيدلانية الحيوية، ودمج التكنولوجيا الحيوية لتطوير أنظمة توصيل الأدوية أو الهياكل الداعمة النشطة بيولوجيًا.
د. مع تزايد طلب السوق على المواد الصديقة للبيئة، ينبغي على الشركات تعزيز تعاونها مع مؤسسات البحث والتطوير لتحويل الاكتشافات المبتكرة إلى منتجات تنافسية، مثل سيراميك الكاولين عالي التحمل والمتين، أو المواد المركبة خفيفة الوزن.
هـ. مع التركيز العالمي على التنمية المستدامة، سيؤثر دعم السياسات والجدوى الاقتصادية على توجهات البحث والتطوير في مجال الكاولين وتطبيقاته. لذلك، يحتاج القطاع إلى مراقبة توافر الموارد وتحسين التكاليف عن كثب، مع تعزيز إدارة المخاطر وتعزيز القدرة التنافسية العالمية لمواجهة البيئة الدولية المعقدة.
كبريتات الباريوم المعدلة بواسطة SDS للاستخدام في مستحضرات التجميل
تُعد المواد المظلمة في مستحضرات التجميل مكونات أساسية لتحقيق تأثيرات معينة، مثل إخفاء العيوب وتفتيح البشرة؛ إذ تؤثر قابلية انتشارها واستقرارها بشكل مباشر على أداء المنتج وعمره الافتراضي.
يُستخدم كبريتات الباريوم على نطاق واسع في مستحضرات التجميل نظرًا لمعامل انكسار الضوء العالي فيها، وقدرتها الجيدة على إخفاء اللون، واستقرارها الكيميائي. إلا أن ميلها للتكتل يحد من استخدامها في هذه المستحضرات.
تستعرض هذه الدراسة قابلية انتشار واستقرار كبريتات الباريوم في تركيبات مستحضرات التجميل، وذلك من خلال تحضير كبريتات الباريوم فائقة النعومة باستخدام الطحن الكروي، وتحسين عمليات تعديل السطح وإعداد المستحلب.
1. طرق التعديل
(1) المعالجة الأولية لكبريتات الباريوم
تم تجفيف كبريتات الباريوم من النوع الصناعي ثم غربلتها باستخدام غربال ذي فتحات 200 ميكرومتر. في كل دفعة، تم خلط 100 غرام من كبريتات الباريوم مع 0.5 غرام من حمض الستياريك في مطحنة ذات لفافتين لمدة 3 دقائق. ثم تم ضبط المسافة بين اللفافتين إلى أدنى حد، ومرر الخليط بينهما 6 مرات، ثم مرر مرة أخيرة مع ترك مسافة 2 مم بين اللفافتين، لإكمال عملية الخلط الأولية. جُففت كبريتات الباريوم المخلوطة عند درجة حرارة 80 درجة مئوية لمدة 4 ساعات للحصول على المنتج المعالج.
(2) تعديل السطح
تم إضافة كميات مختلفة من كبريتات الباريوم المعالجة إلى 100 جزء من التركيبة الأساسية، ثم خضعت لتعديل السطح عند درجة حرارة 60 درجة مئوية. أثناء عملية التعديل، أُضيف 1.5 جزء من دوديسيل سلفات الصوديوم، وتم خلط الخليط جيدًا. ثم تم ضبط المسافة بين اللفافتين إلى أدنى حد، ومرر الخليط بينهما 6 مرات قبل تلطيخه، ليتم الحصول على كبريتات الباريوم المعدلة.
(3) تحضير المستحلب
تم توزيع كبريتات الباريوم المعدلة في التركيبة الأساسية بنسب مختلفة باستخدام مزيج من التقليب الميكانيكي والتشتيت بالموجات فوق الصوتية. تحديدًا، تم وزن كمية معينة من كبريتات الباريوم المعدلة، وأُضيفت إلى الماء المقطر، ثم تم تشتيتها بالموجات فوق الصوتية لمدة 10 دقائق. ثم أُضيفت التركيبة الأساسية تدريجيًا مع التقليب، وترك الخليط يقلب لمدة 30 دقيقة أخرى.
2. عملية التعديل الأمثل وتقييم الأداء
(1) عملية التعديل الأمثل
من خلال البحث المنهجي، تم تحديد ظروف العملية الأمثل: تم غربلة كبريتات الباريوم من النوع الصناعي باستخدام غربال ذي فتحات 200 ميكرومتر، ثم جُففت عند درجة حرارة 60 درجة مئوية لمدة 4 ساعات. استُخدمت مادة سداسي اثنيل كبريتات الصوديوم كعامل تعديل سطح، بنسبة 1.5% من وزن كبريتات الباريوم، وأُجريت عملية التعديل عند درجة حرارة 60 درجة مئوية لمدة ساعتين. خلال عملية التشتيت، تم التحكم في تركيز كبريتات الباريوم بين 15% و20%، ودرجة حرارة التشتيت عند 60 درجة مئوية، ووقت التشتيت عند 15 دقيقة، مع الحفاظ على قيمة الرقم الهيدروجيني (pH) بين 8.0 و8.5. استُخدم مزيج من التقليب الميكانيكي والتشتيت بالموجات فوق الصوتية.
تحت هذه الظروف، أظهر نظام التشتيت الناتج الخصائص التالية: توزيع متجانس لحجم الجسيمات، حيث تراوح حجم الجسيمات الرئيسي بين 0.8 و1.2 ميكرومتر؛ استقرار جيد للمشتت دون ترسيب ملحوظ خلال 7 أيام؛ وتغطية ممتازة مع طبقة رقيقة متجانسة.
(2) تقييم التطبيقات في مستحضرات التجميل
تم تقييم أداء مستحلب كبريتات الباريوم المُعد في تركيبات مستحضرات التجميل: أدت إضافة 15% من مستحلب كبريتات الباريوم المعدل إلى كريم الأساس إلى تغطية جيدة وتجربة استخدام مريحة، مع توافق جيد مع قاعدة المستحضر وعدم حدوث فصل بين الطبقات.
أما إضافة 20% من المستحلب إلى تركيبات مُصحح العيوب، فقد حسّنت التغطية بشكل ملحوظ، مع الحفاظ على الاستقرار الجيد، وتقديم تأثير طبيعي يدوم طويلاً.
تُظهر نتائج تقييم التطبيقات أن مستحلب كبريتات الباريوم المُعد بهذه الطريقة المُحسنة يتميز بأداء ممتاز في تطبيقات مستحضرات التجميل. تُعد شركة ALPA رائدة في مجال الطحن والتصنيف الدقيق، لتعظيم قيمة منتجاتكم. متخصصون في الطحن والتصنيف الدقيق للباريتا.
إمكانات مادة مونتمورليونيت في مجال الطاقة الجديدة
المنطيرونيت (MMT) معدن سيليكاتي طبقي. في تركيبته، يمكن استبدال ذرات الألومنيوم عالية التكافؤ في هيكل الأوكتهايدر الألومنيوم-أكسجين بسهولة بذرات ذات تكافؤ أقل، مما ينتج عنه شحنة سالبة بين الطبقات. للحفاظ على استقرار بنية الطبقات، يمتص المنطيرونيت الكاتيونات من محيطه، مثل Na+ وCa2+ وMg2+ وAl3+ وK+. هذه الخاصية تمنح المنطيرونيت قدرة امتزاز عالية وقدرة تبادل أيوني ممتازة. هذا التركيب الفريد وقدرة التبادل العالية تجعلان من المنطيرونيت مادة واعدة للتطبيقات في مجال تقنيات الطاقة الجديدة.
مواد بطاريات الليثيوم
(1) الإلكتروليتات الصلبة
أظهرت العديد من الدراسات أن المنطيرونيت (MMT)، كملء غير عضوي جديد، يمكنه تحسين كل من التوصيل الأيوني والخصائص الميكانيكية للإلكتروليتات البوليمرية الصلبة.
(2) طبقات SEI الاصطناعية
في طبقات SEI الاصطناعية، يمنح الليثيوم-منطيرونيت (Li-MMT) طبقة SEI خصائص ميكانيكية جيدة، ويوفر قنوات لنقل أيونات الليثيوم، مما يساعد في تثبيط نمو الشوكات الليثيومية. بفضل قنوات نقل أيونات الليثيوم السريعة في Li-MMT، تتميز خلية Li-LiFePO4 التي تستخدم طبقة SEI من Li-MMT بأداء ممتاز، مع الحفاظ على نسبة عالية من سعتها الأصلية (90.6%) بعد 400 دورة شحن/تفريغ.
(3) تحسين الفاصل
يستخدم المنطيرونيت (MMT) لتحسين أداء الفاصل بفضل خصائصه الامتزازية الممتازة. بالمقارنة مع الفواصل البوليمرية التجارية، يحتوي الفاصل المعدل بـ Li-MMT على تركيز أعلى لأيونات الليثيوم عند واجهة الإلكترود/الإلكتروليت، مما يقلل ترسيب الليثيوم ويضعف كثافة التيار ويثبط نمو الشوكات.
(4) تحسين الإلكتروليتات السائلة
في أنظمة بطاريات الليثيوم المعدنية، وبالمقارنة مع إلكتروليتات PEO، يظهر المنطيرونيت جاذبية أقوى لليثيوم المعدني، مع جهد زتا +26 مللي فولت، مما يعزز تركيز أيونات الليثيوم بالقرب من سطح المنطيرونيت. مع امتزاز أيونات الليثيوم، يزداد جهد التحريض قليلاً إلى -57.7 مللي فولت، مما يرشد أيونات الليثيوم للهجرة من المنطيرونيت والترسب على سطح جامع التيار النحاسي. (5) مواد الحامل
المكثفات الفائقة
مواد القوالب
بعض المعادن الطبيعية تتميز ببنية سطحية مميزة، مثل الأتاپولجيت والمونتمورليونيت والهالويسايت والدياتوميت، وتستخدم عادةً كقوالب لتصنيع مواد الكربون المسامية ذات خصائص سطحية محددة. كما يمكن استخدام هذه الطريقة لتصنيع البوليمرات الموصلة ذات البنية السطحية المميزة. (2) مواد حاملة للأقطاب
للحصول على مواد فعالة ذات بنية سطحية محددة، وتعزيز السعة النوعية، وتحسين استقرار دورات الشحن والتفريغ، يمكن تحميل المواد الفعالة على سطح معادن مثل المونتمورليونيت والهالويسايت.
مواد تخزين غاز الميثان
يبحث الباحثون حالياً في استخدام تقنية تخزين غاز طبيعي بالامتزاز، وهي اقتصادية وسهلة وآمنة، كبديل لتقنيات الغاز الطبيعي المضغوط والمسال التقليدية. أظهرت الدراسات أن المعادن الطينية تلعب دوراً مهماً في تكوين رواسب غاز الصخر الزيتي وتطورها، كما أنها تتميز بقدرة على تخزين الغاز.
مواد التحفيز الكهربائي
التحفيز الكهربائي هو نوع من أنواع التحفيز الذي يعجل تفاعلات نقل الشحنة عند واجهة الإلكترود/المحلول، ويستخدم على نطاق واسع في مجالات مثل إنتاج الهيدروجين والاوكسجين كهربائياً، وتقليل أكاسيد النيتروجين. تستخدم المعادن الطينية مثل المونتمورليونيت كحامل لمكونات تفاعلات التحفيز الكهربائي الضوئي، لمنع تكتل الجسيمات، وتحسين استقرار جزيئات الحساسية، وتعزيز انتقائية التفاعل.
مواد تخزين الطاقة الحرارية بتغير الطور
مواد تخزين الطاقة الحرارية بتغير الطور (PCMs) هي مواد جديدة تستخدم امتصاص أو إطلاق الحرارة أثناء تغير الطور لتخزين الطاقة الحرارية وإطلاقها. تلعب المعادن الطبيعية دوراً مهماً في هذا المجال. فهي مواد غير عضوية ممتازة لتخزين الطاقة الحرارية، ويمكن معالجتها للحصول على مواد عالية الأداء بعد إضافة مواد تنشيطية ومكثفات مناسبة. كما أن بنية المعادن المسامية تجعلها حاملاً مثالياً لهذه المواد.
تعديل طلاء مسحوق ثاني أكسيد التيتانيوم
تعدّ معالجة سطح مسحوق ثاني أكسيد التيتانيوم (التيتانيوم الأبيض) طريقة مهمة لتحسين خواصه (مثل قابلية الانتشار، ومقاومة العوامل الجوية، واللمعان، والاستقرار الكيميائي). يمكن تصنيف تقنيات معالجة السطح الشائعة إلى ثلاثة أنواع رئيسية: الطلاء اللاعضوي، والطلاء العضوي، والطلاء المركب. وفيما يلي تصنيف مفصل لهذه الطرق وشرح موجز لها:
معالجة السطح بالطلاء اللاعضوي
تتم هذه الطريقة بطلي سطح جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم بطبقة من أكسيدات أو أملاح لا عضوية، مما يشكل حاجزًا فيزيائيًا لتحسين استقرارها الكيميائي وخصائصها البصرية.
1. طلاء الأكسيد
المبدأ: يتم ترسيب أكسيدات المعادن المائية (مثل SiO₂، Al₂O₃، ZrO₂، إلخ) على سطح جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم، مكونة طبقة طلاء متجانسة.
الطريقة: عادةً ما تستخدم طريقة ترسيب الطور السائل، حيث تُضاف أملاح المعادن (مثل سيليكات الصوديوم، وسلفات الألمنيوم) إلى معلق ثاني أكسيد التيتانيوم، ويتم ضبط قيمة الرقم الهيدروجيني لترسيب أكسيدات المعادن المائية على السطح.
2. طلاء الأكسيد المركب
المبدأ: طلاء السطح بأكثر من نوع من أكسيدات المعادن (مثل Al₂O₃-SiO₂، ZrO₂-SiO₂، إلخ)، مما يجمع بين مزايا كل مكون.
الخصائص: أداء إجمالي ممتاز؛ على سبيل المثال، يمكن لطلاء Al₂O₃-SiO₂ تحسين كل من قابلية الانتشار ومقاومة العوامل الجوية، وهو مناسب للطلاقات المستخدمة في صناعة السيارات وطلاقات لفائف المعادن.
3. طلاء الأملاح
المبدأ: استخدام أملاح المعادن (مثل الفوسفات، والسيليكات، والسلفات، إلخ) لتكوين طبقة من الأملاح غير قابلة للذوبان على سطح جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم.
معالجة السطح بالطلاء العضوي
تتم هذه الطريقة بإجراء تفاعل بين المركبات العضوية ومجموعات الهيدروكسيل على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم، مما يشكل طبقة جزيئية عضوية لتحسين توافقه مع الوسائط العضوية.
1. طلاء عوامل الارتباط
المبدأ: استخدام بنية عوامل الارتباط ذات الطبيعة ثنائية التفاعل (مثل السيليانات، والتيتانات، والألومينات)، حيث يرتبط طرف واحد منها بمجموعات الهيدروكسيل على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم، بينما يتفاعل الطرف الآخر مع المصفوفة العضوية (مثل الراتنج، والبوليمر).
الوظائف:
عوامل ارتباط السيليكان: تحسين قابلية انتشار ثاني أكسيد التيتانيوم في الأنظمة المائية، ويستخدم عادة في الطلاءات والحبر المائية.
عوامل ارتباط التيتانات/الألومينات: تحسين التوافق في الأنظمة الزيتية مثل البلاستيك والراتنجات، مما يقلل من التكتل أثناء المعالجة. 2. الطلاء باستخدام المواد السطحية النشطة
المبدأ: تلتصق المواد السطحية النشطة (مثل الأحماض الدهنية، والسلفونيت، وأملاح الأمونيوم الرباعي) على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم عن طريق الامتصاص الفيزيائي أو التفاعل الكيميائي، مكونة طبقة مشحونة أو طبقة كارهة للماء.
3. الطلاء البلمري
المبدأ: يتم ربط البوليمرات (مثل الأكريلات، والراتنجات الإيبوكسية، والسيلوكسانات) على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم من خلال تفاعلات البلمرة.
الوظائف:
تشكيل طبقة طلاء سميكة، مما يحمي بشكل أفضل من التفاعلات الكيميائية ويحسن مقاومة العوامل الجوية والخصائص الميكانيكية.
تحسين التوافق مع أنواع معينة من الراتنجات، مما يجعلها مناسبة للمواد المركبة والطلاءات عالية الأداء.
4. الطلاء السيليكوني العضوي
المبدأ: استخدام الطاقة السطحية المنخفضة لمركبات السيليكون (زيت السيليكون، راتنج السيليكون، إلخ) لتغطية جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم.
الوظائف: تقليل التوتر السطحي، وتحسين قابلية الانتشار والزلق، ويستخدم عادة في الحبر ومستحضرات التجميل.
تعديل الطلاءات المركبة
باستخدام مزايا الطلاءات اللاعضوية والعضوية، توفر عملية الطلاء المزدوج (تناوب أو متزامن) أداءً متكاملاً.
1. الطلاء المتناوب اللاعضوي-العضوي
العملية: يتم أولاً تشكيل حاجز فيزيائي باستخدام أكسيدات لا عضوية (مثل SiO₂)، ثم يتم تعديل الطبقة عضوياً باستخدام عوامل ربط أو بوليمرات.
الخصائص: يوازن بين مقاومة العوامل الجوية والتوافق، وهو مناسب للطلاءات المعمارية عالية الأداء أو طلاءات السيارات الأصلية.
2. الطلاء المتزامن اللاعضوي-العضوي
العملية: يتم إدخال مواد الطلاء اللاعضوية والعضوية في نفس نظام التفاعل لتشكيل بنية نواة-غلاف.
الخصائص: تتميز طبقة الطلاء بقوة التصاق أعلى وأداء محسّن، وهي مناسبة للتطبيقات المتقدمة (مثل طلاءات الطائرات، والمواد المركبة النانوية).
تقنيات طلاء خاصة أخرى
1. طلاء الجسيمات النانوية
المبدأ: استخدام الجسيمات النانوية (مثل SiO₂ النانوية، ZnO النانوية) في الطلاء لتحسين الحماية من الأشعة فوق البنفسجية والشفافية، ويستخدم عادة في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس والطلاءات البصرية.
2. التغليف الدقيق
المبدأ: تغليف جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم في كبسولات بوليمرية صغيرة، مع إمكانية التحكم في إطلاق ثاني أكسيد التيتانيوم (عن طريق درجة الحرارة، أو قيمة الرقم الهيدروجيني)، وهو مناسب للطلاءات الذكية وأنظمة الإطلاق المتحكم به.
يعتمد اختيار طرق الطلاء على التطبيق (مثل الطلاء، البلاستيك، الحبر، مستحضرات التجميل) ومتطلبات الأداء (مقاومة العوامل الجوية، قابلية الانتشار، التوافق، إلخ).
ست طرق رئيسية لتعديل أكسيد الزنك النانوي
أكسيد الزنك النانوي نوع جديد من المواد الكيميائية الدقيقة غير العضوية الوظيفية. بفضل صغر حجم جسيماته ومساحته السطحية النوعية الكبيرة، يتميز بخصائص فيزيائية وكيميائية فريدة في الكيمياء والبصريات والأحياء والإلكترونيات. ويُستخدم على نطاق واسع في الإضافات المضادة للميكروبات، والمحفزات، والمطاط، والأصباغ، والأحبار، والطلاءات، والزجاج، والسيراميك الكهرضغطي، والإلكترونيات البصرية، والتطبيقات الكيميائية اليومية، ويحمل إمكانات واعدة للتطوير والاستخدام.
ومع ذلك، نظرًا لمساحته السطحية النوعية الكبيرة وطاقته السطحية النوعية العالية، يُظهر أكسيد الزنك النانوي قطبية سطحية قوية، وعرضة للتكتل الذاتي، ويصعب تشتته بالتساوي في الأوساط العضوية، مما يحد بشكل كبير من تأثيره النانوي. لذلك، يُعد تشتت مساحيق أكسيد الزنك النانوي وتعديل سطحها من المعالجات الأساسية قبل تطبيق المواد النانوية في المصفوفات.
١. تعديل المواد الخافضة للتوتر السطحي
يتضمن تعديل المواد الخافضة للتوتر السطحي التفاعل الكهروستاتيكي للمواد الخافضة للتوتر السطحي لتشكيل طبقة عضوية على سطح المواد النانوية، مما يُحسّن توافقها مع المواد العضوية.
على الرغم من بساطة تعديل المواد الخافضة للتوتر السطحي، إلا أن فعاليته ضعيفة عمومًا، مما يُصعّب تشكيل طبقة مستقرة ومتينة على سطح المواد النانوية.
٢. التعديل الميكانيكي الكيميائي
يستخدم التعديل الميكانيكي الكيميائي قوى ميكانيكية لتغيير الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد النانوية، مما يُعزز تقاربها وتفاعلها مع المواد الأخرى.
ومع ذلك، عادةً ما يستغرق التعديل الميكانيكي الكيميائي وقتًا طويلاً، وعادةً ما تكون نتائجه ضعيفة على المواد النانوية.
٣. التعديل عالي الطاقة
يتضمن التعديل عالي الطاقة بلمرة مونومرات المركبات العضوية باستخدام البلازما أو المعالجة الإشعاعية، والتي تُغلف سطح المادة النانوية بعد ذلك.
يُحقق التعديل عالي الطاقة عمومًا نتائج أفضل من الطريقتين السابقتين، إلا أن له عيوبًا مثل استهلاكه العالي للطاقة وصعوبة تقنية.
٤. تعديل الأسترة
الأسترة هي طريقة لتعديل الأسطح، تستخدم مجموعات الأحماض الكربوكسيلية في مُعدِّلات، مثل الأحماض الدهنية العالية أو الأحماض العضوية غير المشبعة، للتفاعل مع مجموعات الهيدروكسيل على سطح مادة نانوية لتحقيق الأسترة.
طريقة الأسترة بسيطة، لكن تأثيرها التعديلي ضعيف، وعادةً ما يتطلب استخدامها مع عامل اقتران.
٥. تطعيم البوليمرات
يتضمن تطعيم البوليمرات أولًا تطعيم مونومر بوليمري على سطح مادة نانوية، ثم بدء تفاعل بلمرة لتمديد سلسلة الكربون، وأخيرًا السماح للبوليمر بتغطية المادة النانوية بالكامل.
تُعد طريقة تطعيم البوليمرات معقدة في التشغيل، ويتأثر تأثير التعديل بعوامل مختلفة، مما يجعل من الصعب تطبيقها على نطاق واسع.
٦. تعديل عامل الاقتران
يعتمد عامل الاقتران على عنصر سيليكوني أو معدني، مع مجموعتين مختلفتين على كلا الجانبين، يمكنهما الاتصال بمصفوفات عضوية وغير عضوية. تعمل هذه المكونات الثلاثة معًا لتحقيق التعديل الكيميائي للمادة النانوية. عُدِّل أكسيد الزنك النانوي باستخدام عامل اقتران السيلان APS. وُزِّع كلٌّ من أكسيد الزنك النانوي المُعدَّل وغير المُعدَّل في الإيثانول اللامائي لتحضير أحبار الطباعة لاستخدامها كمواد لطبقة نقل الإلكترونات في الخلايا الكهروضوئية. ثم قورن أداء الحبرين. أظهرت النتائج أن أكسيد الزنك النانوي المُعدَّل كان أفضل تشتتًا في الإيثانول اللامائي وظلَّ مُتكتِّلًا لمدة 12 شهرًا. أظهرت مادة طبقة نقل الإلكترونات المُحضَّرة بهذا العامل كفاءة نقل إلكترون أعلى، ويمكنها تلبية معايير أداء الأجهزة عند سماكات أقل.
عُدِّل أكسيد الزنك النانوي كيميائيًا باستخدام عوامل اقتران السيلان التي تحتوي على مجموعات وظيفية من الجليسيلوكسي والأمينو. أُدمج كلٌّ من أكسيد الزنك النانوي المُعدَّل وغير المُعدَّل في طلاءات الإيبوكسي لاختبار مقاومة العوامل الجوية. أظهرت النتائج أن طلاءات الإيبوكسي المُدمجة بأكسيد الزنك النانوي المُعدّل بعامل اقتران غليسيلوكسي سيلان أظهرت تغيرات أقل بكثير في زاوية التلامس واللون ومجموعات الكربونيل بعد 450 ساعة من التجوية المُسرّعة، مما يُظهر تحسنًا ملحوظًا في مقاومة التجوية مقارنةً بطلاءات الإيبوكسي المُدمجة بأكسيد الزنك النانوي غير المُعدّل.
تُعدّ طريقة عامل الاقتران أكثر طرق التعديل واعدةً نظرًا لبساطة عمليتها وتأثيرها الجيد وانخفاض تكلفتها.
بمقارنة طرق تعديل الأسطح المختلفة المذكورة أعلاه، ومع مراعاة كل من تأثير التعديل وصعوبته، يُمكن ملاحظة أن طريقة الأسترة وطريقة عامل الاقتران أكثر ملاءمة لتعديل أسطح المواد النانوية.
أصبحت الألومينا المكلسة دعامة مهمة لتطوير صناعة السيراميك
الألومينا المكلسة، وهي مادة غير عضوية غير معدنية، مصنوعة من الألومينا الصناعية المكلسة في درجات حرارة عالية، تتميز بالعديد من الخصائص المميزة. أولًا، صلابتها العالية من أبرز سماتها. تصل صلادتها على مقياس موس إلى 9، لتحتل المرتبة الثانية بعد الماس. هذا ما يجعل المنتجات الخزفية المصنوعة منها مقاومة للتآكل بشكل استثنائي، مع الحفاظ على مظهر جيد وثبات هيكلي على المدى الطويل. ثانيًا، تتميز بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية، حيث يمكنها تحمل درجات حرارة تتجاوز آلاف الدرجات المئوية دون تشوه أو تلف، وهي خاصية تجعلها مفيدة بشكل خاص في مجال السيراميك عالي الحرارة. علاوة على ذلك، تتميز الألومينا المكلسة بثبات كيميائي ممتاز، ولا تتأثر بالتفاعلات الكيميائية مع مواد أخرى، مما يضمن أداءً مستقرًا للمنتجات الخزفية.
الوظائف الرئيسية للألومينا المكلسة في التزجيج
بفضل نقائها العالي وصلابتها العالية وثباتها الكيميائي الممتاز، تُستخدم الألومينا المكلسة على نطاق واسع في التزجيج، وخاصةً في السيراميك المنزلي، والسيراميك المعماري، والسيراميك المتخصص. في التطبيقات العملية، لا يقتصر دور الألومينا المكلسة على تحسين صلابة سطح التزجيج ومقاومته للتآكل بشكل ملحوظ، مما يقلل الخدوش والتآكل أثناء الاستخدام بفعالية، مما يطيل عمر خدمة المنتجات الخزفية فحسب، بل يعزز أيضًا الاستقرار الكيميائي للتزجيج، ويقلل من خطر التآكل الحمضي والقلوي، ويحسن مقاومة المنتج للبقع ومتانته. علاوة على ذلك، يمكن للإضافة المناسبة للألومينا المكلسة تعديل درجة حرارة انصهار التزجيج ولزوجته، مما يحسن سيولته، ويتجنب عيوبًا مثل الثقوب الدقيقة وانكماش التزجيج، مما ينتج عنه سطح تزجيج أكثر نعومة وتناسقًا. علاوة على ذلك، تساعد خصائصها البصرية الفريدة في التحكم في لمعان التزجيج، مما يضيف ملمسًا ناعمًا للتزجيج غير اللامع، ويعزز تجانس لمعان التزجيج اللامع لتلبية متطلبات تصميم مختلف منتجات السيراميك.
في تطبيقات الأصباغ، تُوفر الألومينا المحروقة ناقلًا ثابتًا لأصباغ أكسيد المعادن (مثل أكسيد الحديد وأكسيد الكوبالت)، وتمنع تطاير الأصباغ أو انتشارها في درجات الحرارة العالية، وتمنع بهتان التزجيج. وخاصةً في التزجيج عالي الحرارة، يُحافظ على تركيز اللون وتناسقه، مما يُساعد على تحقيق تأثيرات زخرفية خزفية غنية ودائمة. وهو دعامة أساسية لتطوير التزجيج الخزفي الملون نحو أداء وثبات عاليين.
آلية عمل أكاسيد العناصر الأرضية النادرة في المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم
تُحدد خصائص أي عنصر أداءه، والعناصر الأرضية النادرة ليست استثناءً. يرتبط أداؤها ارتباطًا وثيقًا بخصائصها. العوامل الرئيسية التي تُحدد خصائصها الفيزيائية (مثل الصلابة، والبنية البلورية، ودرجة الانصهار) هي نصف قطرها الذري والأيوني. تتميز المعادن الأرضية النادرة بدرجات انصهار عالية تزداد بازدياد العدد الذري، على الرغم من أن هذا التوجه ليس ثابتًا تمامًا. تفقد العناصر الأرضية النادرة عادةً إلكتروناتها الخارجية في المدارين s وd، مُشكلةً حالة تكافؤ +3، وبالتالي تُشكل أكاسيدها. تُمثل حالة التكافؤ +3 هذه حالة الأكسدة المميزة للعناصر الأرضية النادرة. تتجاوز درجات انصهار أكاسيدها 2000 درجة مئوية، وهي غير متطايرة. وهي أشباه موصلات موصلة مختلطة، تتميز بموصلية إلكترونية وأيونية. تُشير الموصلية الإلكترونية إلى توصيل الإلكترونات والفجوات، بينما تُشير الموصلية الأيونية إلى حركة أيونات الأكسجين داخل شواغر الأكسجين، أي توصيل أيونات الأكسجين.
بالإضافة إلى استخدام العناصر الأرضية النادرة مباشرةً كمكونات مصفوفة أو مراكز وظيفية بناءً على الخصائص البصرية والمغناطيسية لإلكترونات 4f، يُمكن أيضًا الاستفادة من خصائصها الكيميائية، مثل تفاعليتها الكيميائية ونصف قطرها الأيوني الكبير، لتعديل البنية المجهرية للمادة، وبالتالي تحسين أدائها. وتُعد سيراميكات أشباه الموصلات الوظيفية المُشبَّعة بالعناصر الأرضية النادرة مثالًا رئيسيًا على ذلك. إن إضافة أكاسيد العناصر الأرضية النادرة إلى المواد المقاومة للحرارة لا تُعزز وتُحسّن من قوة المادة ومتانتها فحسب، بل تُقلل أيضًا من درجات حرارة التلبيد وتكاليف الإنتاج.
نظرًا لعدم سُميتها، وكفاءتها العالية، وخصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة، تُستخدم مركبات العناصر الأرضية النادرة بشكل متزايد في مجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من التطبيقات الأساسية في علم المعادن والهندسة الكيميائية والسيراميك، وصولًا إلى التطبيقات المتقدمة في المواد المركبة عالية الأداء مثل تخزين الهيدروجين والتألق. وقد حظيت الأبحاث المتعلقة بتطبيق أكاسيد العناصر الأرضية النادرة في المواد الخزفية باهتمام واسع. وقد أظهرت الدراسات أن إضافة أكاسيد العناصر الأرضية النادرة يُحسّن بشكل كبير من أداء المواد الخزفية، مما يضمن جودتها وأدائها في تطبيقات متنوعة. علاوة على ذلك، يمكن لأكاسيد الأتربة النادرة، كمواد صهر، تعزيز التلبيد، وتحسين البنية الدقيقة للسيراميك، وتوفير التنشيط والتعديل.
تُحسّن أكاسيد الأتربة النادرة، كمواد مضافة، خصائص المواد المقاومة للحرارة، مُظهرةً فوائدها الفريدة والهامة في تحسين الأداء وإضافة وظائف جديدة. إضافة كميات صغيرة من أكاسيد الأتربة النادرة تزيد من كثافة المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم، مما يُحسّن كثافتها ومقاومتها للتآكل.
تُستخدم أكاسيد الأتربة النادرة كمواد مضافة في المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم لتحسين قابلية التلبيد، وتماسكها، وبنيتها الدقيقة، وتركيب الطور البلوري، وقوة الانحناء في درجة حرارة الغرفة، ومتانة الكسر، وبالتالي تلبية متطلبات أداء السوق للمواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم. هناك ثلاث آليات رئيسية لإضافة أكاسيد الأتربة النادرة إلى المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم. (1) يمكن للمواد المضافة كمواد صهر أن تُعزز التلبيد. تكون درجة حرارة تلبيد المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم مرتفعة بشكل عام، وهناك العديد من العوامل التي لا تساعد على التكثيف أثناء عملية التلبيد. يمكن أن تحل إضافة أكاسيد الأتربة النادرة هذه المشكلة. نظرًا للخصائص الفريدة لأكاسيد الأتربة النادرة، فإن إضافة أكاسيد الأتربة النادرة إلى المواد المقاومة للحرارة يمكن أن تغير بنيتها الداخلية، مما يعزز تلبيد المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم. (2) يمكن لأكاسيد الأتربة النادرة تحسين البنية الدقيقة للمواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم. يمكن أن تؤدي إضافة أكاسيد الأتربة النادرة إلى تحسين البنية الدقيقة الداخلية للمواد المقاومة للحرارة. هذا يقلل من معدل هجرة حدود الحبيبات، ويمنع نمو الحبيبات، ويؤدي إلى تكوين بنية كثيفة. (3) تعديل أكاسيد الأتربة النادرة بالتشويب. سيؤدي تشويب أكاسيد الأتربة النادرة في عملية تحضير المواد المقاومة للحرارة إلى تغيير شكل بلورة العينة، مما يتسبب في تغيير حجمها. يمكن أن يؤدي هذا التغيير إلى تحسين مقاومتها للانحناء ومتانتها بشكل كبير. لطالما جذبت الأبحاث المتعلقة بإضافة مواد مضافة لتحسين خصائص المواد في عملية تحضير المواد المقاومة للحرارة اهتمامًا كبيرًا. وينصبّ التركيز الرئيسي في هذا البحث على مشكلة صعوبة تلبيد مواد خام رمل الكالسيوم والمغنيسيوم وسهولة ترطيبها. وتشمل المواد المضافة الرئيسية أكسيد الزركونيوم (ZrO2)، وأكسيد الحديد (Fe2O3)، وأكسيد الألومنيوم (Al2O3)، وأكاسيد الأتربة النادرة، وغيرها.
استخدام كبريتات الباريوم في 10 صناعات
كبريتات الباريوم مصطلحٌ غير مألوف لدى معظم الناس، وحتى غير الملمين بالكيمياء قد يعتبرونها مادةً كيميائيةً خطيرة. ومع ذلك، فإن كبريتات الباريوم تُستخدم في حياتنا اليومية، وغالبًا ما تظهر في المنتجات المصنّعة. على سبيل المثال، قد تحتوي معظم المنتجات البلاستيكية في منازلنا، ومكيفات الهواء، وقطع غيار السيارات البلاستيكية، وأكياس السوبر ماركت، والدهانات، والطلاءات، والزجاج، على كبريتات الباريوم.
استخدامات كبريتات الباريوم في عشر صناعات رئيسية
1. صناعة البترول: مسحوق الباريت بأحجام 200 و325 شبكة، يُستخدم في إضافات طين حفر حقول النفط والغاز.
2. الصناعة الكيميائية: تستخدم مصانع ملح الباريت الباريت كمادة خام لإنتاج الليثوبون، وكبريتات الباريوم المترسبة، وكربونات الباريوم.
٣. صناعة الدهانات والطلاء: يُستخدم الباريت كمادة مالئة في الدهانات والطلاءات، ليحل محل المواد الخام الأكثر تكلفة مثل كبريتات الباريوم المترسبة، والليثوبون، وثاني أكسيد التيتانيوم، والسيليكا المنشطة. وهو مناسب للتحكم في لزوجة الطلاء وتحقيق لون لامع وثابت.
٤. صناعة البلاستيك: يُستخدم الباريت كمادة مالئة في المواد الخام البلاستيكية المصنوعة من مادة ABS، حيث يُضيف لمعانًا ساطعًا مع تحسين القوة والصلابة ومقاومة التآكل.
٥. صناعة المطاط: يُستخدم مسحوق الباريت بحجم شبكة أقل من ٥٠٠ على نطاق واسع كمادة مالئة في منتجات المطاط، مما يُقلل التكاليف ويُحسّن الصلابة ومقاومة الأحماض والقلويات ومقاومة الماء. كما أنه يُوفر تقوية ممتازة للمطاط الطبيعي والصناعي.
٦. صناعة الورق: يُمكن استخدام مسحوق الباريت فائق النعومة كمادة مالئة وطبقة طلاء في السبورة البيضاء والورق المطلي لتعزيز البياض وتغطية السطح. مواصفات المنتج: ٣٢٥ شبكة، ٤٠٠ شبكة، ٦٠٠ شبكة، ٨٠٠ شبكة، ١٢٥٠ شبكة، ١٥٠٠ شبكة، ٢٠٠٠ شبكة، ٢٥٠٠ شبكة، ٣٠٠٠ شبكة، ٤٠٠٠ شبكة، ٥٠٠٠ شبكة، ٦٠٠٠ شبكة.
٧. صناعة الأسمنت
يمكن أن تؤدي إضافة معادن الباريت والفلوريت المركبة إلى إنتاج الأسمنت إلى زيادة بياضه ومتانته. ويمكن استخدامها في صناعة أسمنت الباريوم، وملاط الباريت، وخرسانة الباريت، والتي يمكن استخدامها في المباني التي تتطلب حماية من الأشعة السينية.
٨. صناعة الزجاج
يمكن استخدامه كمزيل للأكسدة، ومصفٍ، ومادة صهر لزيادة الاستقرار البصري، ولمعان، ومتانة الزجاج.
٩. صناعة البناء
يمكن استخدامه كركام خرساني، ومواد رصف، ولتعزيز الأنابيب المدفونة في المناطق المستنقعية، وكبديل لألواح الرصاص في دروع المنشآت النووية، ومحطات الطاقة الذرية، ومختبرات الأشعة السينية، مما يُطيل عمر أسطح الطرق.
١٠. صناعة السيراميك
يمكن أيضًا استخدام مسحوق الباريت كحشو عالي الجودة في صناعة السيراميك وغيرها من الصناعات. حاليًا، يتناقص استخدام كبريتات الباريوم في صناعة السيراميك، بينما يتزايد استخدام مسحوق الولاستونيت.
تُعدّ جميع التطبيقات في الصناعات العشر المذكورة أعلاه بالغة الأهمية وضرورية لسبل عيش الناس. وهذا يُظهر الدور الهام والنطاق الواسع لتطبيقات كبريتات الباريوم، وهو مسحوق معدني غير عضوي غير معدني.