هيدروكسيد الألومنيوم: لماذا لا يمكن استخدامه مباشرة؟
تتميز هيدروكسيدات الألومنيوم الأمفوتيرية غير العضوية - هيدروكسيد الألومنيوم (Al(OH)3, ATH) - بخصائص عالية الكفاءة كمثبط للهب، ومُخمد للدخان، وخاصية الحشو. عند التحلل الحراري، لا يُنتج غازات سامة أو مُسببة للتآكل، ويمكن استخدامه كمادة مالئة مثبطة للهب في المواد العضوية البوليمرية. يتزايد حاليًا استخدام هيدروكسيد الألومنيوم الأمفوتيرية كمثبط للهب عامًا بعد عام، وقد أصبح أهم مثبط للهب غير عضوي عالميًا.
التعديل أولًا، ثم تثبيط اللهب
عادةً ما يملأ المُصنِّعون المواد القابلة للاشتعال بمسحوق هيدروكسيد الألومنيوم (ATH) أو يُغطون سطحها بطبقة مثبطة للهب تحتوي على هيدروكسيد الألومنيوم لتحسين خصائص تثبيط اللهب في المواد العضوية البوليمرية.
علاوة على ذلك، ولأن هيدروكسيد الألومنيوم يحتوي على ثلاث مجموعات هيدروكسيل (-OH)، فإن سطحه غير متماثل وعالي الاستقطاب. تُظهر مجموعات الهيدروكسيل السطحية خصائص محبة للماء وكارهة للزيت، مما يجعلها عرضة للتكتل عند إضافتها إلى المواد العضوية البوليمرية، مما يؤثر بشكل مباشر على خصائصها الميكانيكية.
لذلك، يجب تعديل سطح هيدروكسيد الألومنيوم قبل الاستخدام.
تعديل سطح هيدروكسيد الألومنيوم
يُعد تعديل السطح من التقنيات الرئيسية لتحسين خصائص مواد المساحيق غير العضوية، ويلعب دورًا حاسمًا في تحسين أداء تطبيقاتها وقيمتها. يشير تعديل سطح الجسيمات غير العضوية إلى امتزاز أو تغليف مادة واحدة أو أكثر على سطح الجسيمات غير العضوية، مما يُشكل بنية مركبة من لب وقشرة. هذه العملية في جوهرها عملية مركبة من مواد مختلفة.
أنواع وخصائص المُعدّلات
هناك أنواع عديدة من مُعدّلات سطح المساحيق، ولكن لا توجد طريقة تصنيف موحدة. تُقسم مُعدّلات تعديل المساحيق غير العضوية بشكل رئيسي إلى فئتين: عوامل التوتر السطحي وعوامل الربط.
(1) عوامل الربط
تُناسب عوامل الربط أنظمة المواد المركبة المتنوعة من البوليمرات العضوية والحشوات غير العضوية. بعد تعديل السطح باستخدام عوامل الربط، تزداد توافقية المادة غير العضوية وقابليتها للتشتت مع البوليمر. يتغير سطح المادة غير العضوية من محب للماء وكاره للزيوت إلى محب للزيوت وكاره للماء، مما يزيد من ألفتها للبوليمر العضوي.
عوامل الربط متنوعة، ويمكن تصنيفها إلى أربع فئات رئيسية بناءً على بنيتها وتركيبها الكيميائي: المركبات العضوية، والسيلانات، والتيتانات، والألومينات.
(2) المواد الخافضة للتوتر السطحي
المواد الخافضة للتوتر السطحي هي مواد يمكنها تغيير خصائص سطح المادة أو سطحها بشكل كبير عند استخدامها بكميات صغيرة جدًا. وتشمل هذه المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية، والكاتيونية، وغير الأيونية، مثل الأحماض الدهنية العالية وأملاحها، والكحولات، والأمينات، والإسترات. يتميز تركيبها الجزيئي بوجود مجموعة ألكيل طويلة السلسلة في أحد طرفيها، مشابهة لجزيئات البوليمر، ومجموعات قطبية مثل مجموعات الكربوكسيل والإيثر والأمين في الطرف الآخر.
كيف يُمكن تحديد تأثير التعديل؟
هل هيدروكسيد الألومنيوم المعدل موثوق؟ ما مدى موثوقيته؟ يتطلب هذا تقييم تأثير التعديل وتوصيفه.
حاليًا، يُمكن تقييم تأثير مثبطات اللهب المكونة من هيدروكسيد الألومنيوم من خلال طرق مباشرة، مثل اختبار مؤشر الأكسجين للمادة، ومؤشر الاشتعال الرأسي والأفقي، وإنتاج الدخان، والتحليل الوزني الحراري، والخصائص الميكانيكية أثناء الاحتراق؛ أو بشكل غير مباشر عن طريق قياس امتصاص المسحوق، ومؤشر التنشيط، وقيمة امتصاص الزيت لاختبار تأثير التعديل بشكل غير مباشر.
(1) الامتصاص
يحتوي هيدروكسيد الألومنيوم غير المعدل على مجموعات هيدروكسيل محبة للماء وكارهة للزيت على سطحه، مما يسمح له بالذوبان في الماء أو الترسيب بحرية في القاع. بعد التعديل، يصبح سطح ATH محبًا للماء وكارهًا للزيوت، بخصائص سطحية معاكسة تمامًا للشكل غير المعدل. لا يذوب أو يترسب في القاع، بل يطفو فقط على السطح. مع ذلك، يمكن لـ ATH المعدل أن يذوب أو يترسب جيدًا في الزيوت (مثل البارافين السائل).
(2) مؤشر التنشيط
يتميز ATH غير المعدل بقطبية قوية جدًا نظرًا لطبيعة مجموعات الهيدروكسيل السطحية (-OH)، مما يسمح له بالذوبان أو الترسيب بحرية في الماء ذي الخصائص المشابهة. بعد التعديل، تلتصق بسطح ATH طبقة من المجموعات المحبة للدهون، مغلفة بمجموعات الهيدروكسيل السطحية (-OH). كلما كان تأثير التعديل أفضل، زاد معدل تغطية سطح ATH للمجموعة المحبة للدهون، وزادت نسبة طفو ATH المعدل على سطح الماء.
(3) قيمة امتصاص الزيت
يتطلب قياس قيمة امتصاص الزيت إضافة زيت الخروع إلى ATH وتحريكه. قبل التعديل، يتطلب ATH، نظرًا لخواصه المحبة للماء والكارهة للزيوت، كمية أكبر من زيت الخروع لتكوين الكرات. بعد تعديل السطح، يصبح ATH محبًا للماء والكاره للزيوت، مما يُحسّن قابلية تشتت ATH في البوليمر ويُقلل الفراغات الناتجة عن تكتل المسحوق.
فهم المواد فائقة القوة - NdFeB
لقد ساهم النيوديميوم-حديد-البورون المُلبَّد، باعتباره أقدم عملية تحضير وأكثرها استخدامًا عالميًا، في دفع عجلة التطور السريع لمواد المغناطيس الدائم للأتربة النادرة. وقد أصبح النيوديميوم-حديد-البورون المُلبَّد، بفضل تباينه المغناطيسي القوي وانخفاض تكلفة المواد الخام المُدخلة، هدفًا بحثيًا للعديد من الدول. تعتمد مواد النيوديميوم-حديد-البورون المُلبَّدة ذات المغناطيس الدائم على ميتالورجيا المساحيق. تُحوَّل السبيكة المُصهورة إلى مسحوق وتُضغط في قالب مضغوط في مجال مغناطيسي. ثم يُلبَّد القالب المضغوط في غاز خامل أو في فراغ لتحقيق التكثيف. علاوة على ذلك، لتحسين قوة المغناطيس القسرية، عادةً ما تتطلب المعالجة الحرارية للشيخوخة. يتم تسلسل العملية كما يلي: تحضير المواد الخام ← الصهر ← تحضير المسحوق ← الضغط ← التلبيد والتطبيع ← الاختبار المغناطيسي ← الطحن ← التشغيل الآلي ← الطلاء الكهربائي ← المنتج النهائي.
على عكس النيوديميوم-حديد-البورون المُلبَّد، يجب أن تتمتع جزيئات المسحوق الفردية للمغناطيسات المُلتصقة بقوة ضغط عالية بما يكفي. بمجرد تلف البنية متعددة المراحل والبنية المجهرية اللازمة لقوة إكراه عالية بشكل كبير أثناء عملية تحضير المسحوق، يصبح من المستحيل إنتاج مغناطيسات مترابطة جيدًا. لذلك، باستخدام طريقة المسحوق المغناطيسي سريع الغزل المنصهر، تُسكب السبائك المنصهرة الساخنة أو تُرش على عجلة نحاسية دوارة عالية السرعة ومبردة بالماء لتشكيل شريط رفيع بسمك 100 ميكرومتر.
يتطلب تصنيع المغناطيسات المضغوطة/المشوهة بالحرارة البدء بمسحوق مغناطيسي Nd-Fe-B سريع الإخماد، بدلاً من استخدام السبائك المصبوبة مباشرةً. باستخدام ظروف الإخماد الزائد (التبريد السريع)، يتم تحضير حبيبات أدق، أو حتى مسحوق مغناطيسي غير متبلور. أثناء الضغط الساخن والتشويه الساخن، تُسخن الحبيبات وتُنمّى إلى حجم قريب من حجم المجال الواحد، مما يحقق قوة إكراه عالية في المغناطيس النهائي. تتضمن عملية الكبس الساخن وضع المسحوق المغناطيسي في قالب وتطبيق ضغط عالي الحرارة لإجباره على دخول مغناطيس موحد الخواص وكثافته الصلبة.
التطبيقات
محركات المغناطيس الدائم
في محركات المغناطيس الدائم، لا يقتصر استخدام المغناطيس الدائم للإثارة على تقليل استهلاك الطاقة وتوفيرها فحسب، بل يُحسّن أيضًا من أداء المحرك.
الآلات المغناطيسية
تعمل الآلات المغناطيسية باستخدام قوة تنافر الأقطاب المتشابهة أو قوة جذب الأقطاب المختلفة في المغناطيسات. يتطلب هذا مغناطيسات دائمة ذات ثبات عالٍ وقوة إكراه ذاتية عالية. علاوة على ذلك، وبفضل مبدأ التجاذب بين الأقطاب المختلفة، يمكن تصنيع محركات مغناطيسية باستخدام نقل غير تلامسي، مما يوفر مزايا مثل عدم الاحتكاك والضوضاء. لذلك، تُستخدم مغناطيسات Nd-Fe-B عالية الأداء على نطاق واسع في مكونات محركات آلات التعدين، والمحامل المغناطيسية في الجيروسكوبات والتوربينات في الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية، ومحامل الدوار في مضخات الطرد المركزي لدعم وظائف القلب في المعدات الطبية.
الفضاء
تُعدّ مواد المغناطيس الدائم للعناصر الأرضية النادرة ضروريةً لإطلاق الصواريخ، وتحديد المواقع عبر الأقمار الصناعية، وتقنيات الاتصالات. يُعدّ النيوديميوم-حديد-بورون المُلبّد عالي الأداء مفيدًا بشكل خاص في أنظمة إرسال واستقبال الموجات الدقيقة للرادار. فباستخدام التأثير المُشترك لمجال مغناطيسي ثابت ومجال مغناطيسي متناوب للموجات الدقيقة، يحدث الرنين المغناطيسي الحديدي، مما يسمح بتصنيع مُدوّرات الموجات الدقيقة، والعوازل، وغيرها. الإلكترونيات الاستهلاكية
لطالما كانت الإلكترونيات الاستهلاكية المُلبّدة بالكربون الثلاثي (3C) صناعةً مهمةً في مجال النيوديميوم-حديد-بورون المُلبّد. يتميز النيوديميوم-حديد-بورون المُلبّد بخصائص مثل الطاقة المغناطيسية العالية، مما يتماشى مع اتجاهات التصغير، وخفة الوزن، والترقق في منتجات الإلكترونيات الاستهلاكية المُلبّدة بالكربون الثلاثي. ويُستخدم على نطاق واسع في المكونات الإلكترونية مثل مُركّبات VCM، والمحركات الخطية للهواتف المحمولة، والكاميرات، وسماعات الرأس، ومكبرات الصوت، ومحركات المغزل.
إعادة تدوير نفايات النيوديميوم والحديد والبورون: كنز ثمين لا يُفوَّت
تُستخدم مغناطيسات النيوديميوم والحديد البورون (NdFeB) الدائمة على نطاق واسع في توليد طاقة الرياح، ومركبات الطاقة الجديدة، والمنتجات الإلكترونية، نظرًا لخصائصها المغناطيسية الممتازة، مما أكسبها لقب "ملك المغناطيس". ومع ذلك، فإن نسبة الخردة في عملية إنتاج مغناطيس NdFeB تصل إلى 30%، ومع عمرها الافتراضي المحدود، ينتج عن ذلك كمية كبيرة من نفايات NdFeB.
تحتوي هذه النفايات على ما يصل إلى 30% من العناصر الأرضية النادرة، وهو ما يفوق بكثير محتوى خامات العناصر الأرضية النادرة الأولية، مما يجعلها موردًا ثانويًا ذا قيمة عالية. يُعدّ استرداد العناصر الأرضية النادرة بكفاءة من نفايات NdFeB أمرًا بالغ الأهمية لضمان أمن موارد الأرض النادرة، والحد من التلوث البيئي، وتعزيز التنمية المستدامة.
خصائص ومصادر نفايات NdFeB
تنشأ نفايات NdFeB بشكل رئيسي من الخردة، والمنتجات المعيبة، والمنتجات الإلكترونية القديمة التي تحتوي على مغناطيس أثناء عملية تصنيع المغناطيس. تركيبها الكيميائي معقد؛ بالإضافة إلى العناصر الأرضية النادرة الرئيسية Nd وPr، غالبًا ما تُضاف عناصر مثل Dy وTb لتحسين الإكراه، وتُضاف عناصر مثل Co وAl وCu لتحسين الأداء العام. بناءً على محتوى العناصر الأرضية النادرة (REE)، يمكن تصنيف نفايات NdFeB إلى ثلاث فئات: عناصر أرضية نادرة منخفضة (REEs < 20%)، وعناصر أرضية نادرة متوسطة (20%-30%)، وعناصر أرضية نادرة عالية (>30%).
حاليًا، تنقسم عمليات إعادة تدوير نفايات NdFeB بشكل رئيسي إلى تقنيات إعادة تدوير حرارية، وهيدروميتالورجية، وتقنيات إعادة تدوير حديثة.
(I) عمليات إعادة التدوير الحرارية
تفصل إعادة التدوير الحرارية العناصر الأرضية النادرة عن الحديد من خلال تفاعلات عالية الحرارة. تشمل الطرق الرئيسية الأكسدة الانتقائية، والفصل بالكلور، والسبائك السائلة، وفصل انصهار الخبث والمعادن.
تعتمد الأكسدة الانتقائية على أن العناصر الأرضية النادرة تتمتع بألفة أعلى بكثير للأكسجين مقارنةً بالحديد. عند درجات الحرارة العالية، تتأكسد العناصر الأرضية النادرة انتقائيًا لتكوين أكاسيد، تُفصل بدورها عن الحديد المعدني. نجح ناكاموتو وآخرون في تحضير أكاسيد أرضية نادرة مختلطة بنقاء يتجاوز 95% ومعدل استخلاص يتجاوز 99%، وذلك من خلال التحكم الدقيق في الضغط الجزئي للأكسجين.
يعتمد فصل الكلورة على الألفة القوية بين العناصر الأرضية النادرة والكلور. تُستخدم عوامل الكلورة مثل NH4Cl وFeCl2 وMgCl2 لتحويل العناصر الأرضية النادرة إلى كلوريدات قبل الفصل. استخدم أودا FeCl2 كعامل كلورة، وتفاعل عند درجة حرارة 800 درجة مئوية، محققًا معدل استخلاص للعناصر الأرضية النادرة يبلغ 95.9% ونقاء منتج يتجاوز 99%.
تستفيد طريقة السبائك السائلة من اختلاف الألفة بين العناصر الأرضية النادرة والحديد بالنسبة للمعادن الأخرى لتحقيق إثراء وفصل فعال للعناصر الأرضية النادرة والحديد. يمكن لعنصر Nd الأرضي النادر أن يُشكّل سبائك متنوعة منخفضة درجة الانصهار مع Ag وMg وغيرها.
تعتمد طريقة فصل الخبث عن المعدن على خاصية اتحاد العناصر الأرضية النادرة في نفايات NdFeB بسهولة أكبر مع الأكسجين. تُحوّل جميع المعادن الموجودة في نفايات NdFeB إلى أكاسيد معدنية. وفي الوقت نفسه، وتحت درجة حرارة عالية لعامل التخصيب، تُحوّل أكاسيد الحديد إلى Fe معدني عن طريق التحكم في ظروف الاختزال.
(II) عملية الاستعادة الرطبة
تُعدّ عملية الاستعادة الرطبة حاليًا الطريقة الأكثر استخدامًا، وتشمل بشكل رئيسي طريقة الإذابة الكلية، وطريقة الإذابة التفضيلية بحمض الهيدروكلوريك، وطريقة الترسيب الملحي المزدوج، وطريقة الاستخلاص بالمذيبات.
(III) عمليات إعادة التدوير الجديدة
تهدف تقنيات إعادة التدوير الجديدة إلى حل مشاكل استهلاك الطاقة المرتفع والتلوث المرتفع المرتبط بالطرق التقليدية، بما في ذلك انفجار الهيدروجين، والاستخلاص البيولوجي، والطرق الكهروكيميائية.
مقارنة بين عمليات إعادة التدوير المختلفة وتأثيرها البيئي
تتميز عمليات المعالجة الحرارية المعدنية بمعدلات تدفق قصيرة وقدرات معالجة كبيرة، إلا أنها تتطلب استهلاكًا كبيرًا للطاقة وصعوبة في فصل العناصر الأرضية النادرة المفردة؛ وتتميز عمليات المعالجة المائية المعدنية بمعدلات استرداد عالية ونقاء عالٍ للمنتج، إلا أنها تتطلب استهلاكًا كبيرًا للأحماض وتكاليف معالجة عالية لمياه الصرف الصحي؛ أما العمليات الحديثة، مثل الاستخلاص الحيوي والطرق الكهروكيميائية، فهي صديقة للبيئة، إلا أنها في الغالب في مرحلة المختبر ولم تُطبق على نطاق واسع بعد.
من حيث التأثير البيئي، غالبًا ما تستخدم عمليات إعادة التدوير التقليدية أحماضًا وقلويات قوية ودرجات حرارة عالية، مما يُنتج كميات كبيرة من السوائل والغازات العادمة، مما يزيد العبء البيئي. لذلك، يُعد تطوير عمليات إعادة تدوير صديقة للبيئة ومنخفضة الاستهلاك أمرًا بالغ الأهمية.
تُعد إعادة تدوير نفايات NdFeB وسيلة رئيسية للتخفيف من نقص موارد الأرض النادرة والحد من التلوث البيئي. من خلال الابتكار التكنولوجي وتوجيه السياسات، ستتطور صناعة إعادة تدوير NdFeB نحو عمليات صديقة للبيئة ومنخفضة التكلفة وقصيرة المدة ومعدلات استرداد عالية، مما يُعطي زخمًا جديدًا للتنمية المستدامة.
تطبيق وتطوير المواد المسحوقة غير العضوية في صناعة المطاط
يُستخدم المطاط على نطاق واسع في قطاعات النقل والآلات والإلكترونيات والدفاع وغيرها من قطاعات الاقتصاد الوطني. ومع ذلك، للمطاط عيوبه الكبيرة، مثل ضعف قوى الترابط بين الجزيئات، وكبر حجمه الحر، وضعف قدرته على التبلور الذاتي، مما يؤدي إلى انخفاض قوته ومعامل مرونته، وضعف مقاومته للتآكل. لذلك، من الضروري إضافة حشوات غير عضوية وغير معدنية لتلبية متطلبات هذه التطبيقات.
بشكل عام، تؤدي الحشوات غير العضوية وغير المعدنية في المطاط بشكل رئيسي الوظائف التالية: التقوية، والحشو (زيادة الحجم) وخفض التكلفة، وتحسين أداء المعالجة، وتنظيم خصائص الفلكنة، وإضافة وظائف خاصة.
الحشوات المعدنية غير العضوية وغير المعدنية شائعة الاستخدام في المطاط
(1) السيليكا
تُعدّ السيليكا حاليًا ثاني أكثر عوامل التقوية استخدامًا في صناعة المطاط بعد أسود الكربون. الصيغة الكيميائية للسيليكا هي SiO2·nH2O. تحتوي جزيئاتها على العديد من الفراغات. عندما تتراوح أقطار هذه الفراغات بين 2 نانومتر و60 نانومتر، فإنها تتحد بسهولة مع بوليمرات أخرى، وهذا هو السبب الرئيسي لاستخدام السيليكا كعامل تقوية. وبصفتها عامل تقوية، تُحسّن السيليكا بشكل كبير مقاومة المواد للتآكل والتمزق. كما تُحسّن بشكل كبير الخواص الميكانيكية للإطارات، وتُستخدم على نطاق واسع في المركبات، والأجهزة، والفضاء، وغيرها من المجالات.
(2) كربونات الكالسيوم الخفيفة
تُعدّ كربونات الكالسيوم الخفيفة من أقدم وأكثر مواد الحشو استخدامًا في صناعة المطاط. تُؤدي إضافة كميات كبيرة من كربونات الكالسيوم الخفيفة إلى المطاط إلى زيادة حجم المنتج، مما يُوفر المطاط الطبيعي باهظ الثمن ويُخفّض التكاليف. يُحقق مطاط حشو كربونات الكالسيوم الخفيفة قوة شد ومقاومة تآكل وتمزق أعلى من المطاط المُفلكن النقي. كما أن لها تأثير تقوية كبير في كل من المطاط الطبيعي والصناعي، ويمكنها أيضًا تعديل القوام. وفي صناعة الكابلات، تُوفّر درجة معينة من العزل. (3) الكاولين
الكاولينيت هو سيليكات ألومينو مائية، وهو معدن طيني شائع. يُعزز تطبيقه العملي في المطاط مرونته، وخصائصه العازلة، واستطالته، ومتانته عند الانحناء. تُحسّن إضافة الكاولينيت المُعدّل إلى مطاط ستايرين-بوتادين (SBR) بشكل ملحوظ استطالة المطاط، ومتانته عند التمزق، وصلابة شور، مع إطالة عمره الافتراضي.
(4) الطين
يمكن إضافة الطين أثناء تصنيع الإطارات، حسب متطلبات عملية الإنتاج. يُستخدم الطين كمادة مالئة لخفض التكاليف. مع ذلك، يجب أن يكون طينًا مُنشّطًا لتسهيل الالتصاق بالمطاط. يُمكن للطين المُنشّط أو المُعدّل أن يحل محل أسود الكربون جزئيًا في التركيبة.
تُشير الدراسات إلى أنه مع زيادة كمية الطين، تنخفض صلابته، وإجهاد الشد بنسبة 300%، ومتانته عند الشد في مُركّب المطاط بشكل طفيف، ولكن يُمكن تعويض ذلك بتعديل نظام الفلكنة. عند استخدامه في تركيبات مداس المطاط، بعد تحسين النظام، يُمكنه أيضًا تقليل مقاومة التدحرج.
(٥) كبريتات الباريوم
يُحسّن هذا المنتج بفعالية مقاومة تآكل المنتجات المطاطية، مثل مطاط الإطارات والأحزمة، ومقاومة العوامل الجوية. كما يُحسّن نعومة سطحها. وباعتباره حشوًا للمطاط المسحوق، فهو لا يُحسّن معدل الاستخدام فحسب، بل يتميز أيضًا بمزايا واضحة من حيث التكلفة الاقتصادية.
(٦) التلك
يُقسم مسحوق التلك عادةً إلى مسحوق التلك الصناعي العام ومسحوق التلك فائق النعومة. يُعتبر الأول، كحشو للمطاط، غير مُقوٍّ، وله تأثير ضئيل في تحسين الخصائص الفيزيائية للمطاط. لذلك، يُستخدم مسحوق التلك الصناعي العام غالبًا كعامل فصل. من ناحية أخرى، يتميز مسحوق التلك فائق النعومة بتأثير مُقوٍّ جيد. عند استخدامه كحشو للمطاط، تكون قوة شد المطاط مساوية لقوة شد السيليكا.
(٧) الجرافيت
ينتمي الجرافيت إلى معادن السيليكات الصفائحية غير المعدنية، ويتميز بموصلية حرارية وكهربائية وتشحيم جيدين. يتضمن استخدام الجرافيت كحشو للمطاط عملية مشابهة لتلك المستخدمة في المونتموريلونيت، حيث يُحلل الجرافيت إلى جزيئات نانوية باستخدام تقنية خاصة. عند اندماج هذه الجزيئات النانوية مع مصفوفة المطاط، تتحسن خصائصه الوظيفية المختلفة. على سبيل المثال، تتحسن الموصلية الكهربائية والحرارية، وعزل الهواء، والخصائص الميكانيكية بشكل ملحوظ.
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).