Tipos y aplicaciones de la tecnología de esferoidización de polvos
La tecnología de esferoidización de polvos, un componente indispensable de la industria y la ciencia modernas, puede mejorar las características superficiales y las propiedades físicas de los polvos, optimizar el rendimiento del material y cumplir con los requisitos multifuncionales. Actualmente, la tecnología de esferoidización de polvos se ha expandido a numerosos campos, como el farmacéutico, el alimentario, el químico, el de protección ambiental, el de materiales, el metalúrgico y el de impresión 3D.
La tecnología de preparación de polvos esféricos involucra múltiples disciplinas, incluyendo la experiencia en química, ciencia de materiales e ingeniería. A continuación, exploraremos las diversas tecnologías involucradas en la esferoidización de polvos.
Método de Conformado Mecánico
Los métodos de conformado mecánico utilizan principalmente una serie de fuerzas mecánicas, como colisión, fricción y cizallamiento, para deformar plásticamente y adsorber partículas. El procesamiento continuo da como resultado partículas más densas, y los bordes afilados se suavizan y redondean gradualmente por la fuerza de impacto. Los métodos de conformado mecánico utilizan molinos de impacto de alta velocidad, molinos de medios agitados y otros equipos de pulverización para producir materiales en polvo fino. Combinados con la molienda seca y húmeda, estos métodos producen materiales en polvo con un tamaño de partícula más fino, una distribución granulométrica más estrecha y una tasa de esferoidización específica.
El conformado mecánico se utiliza ampliamente en la esferoidización y el conformado de grafito natural, grafito artificial y partículas de cemento. También es adecuado para triturar y pulverizar polvos frágiles de metales o aleaciones. El conformado mecánico utiliza una amplia gama de materias primas de bajo costo, aprovechando al máximo los recursos existentes. Ofrece ventajas como simplicidad, respeto al medio ambiente y escalabilidad industrial. Sin embargo, este método no es muy selectivo en cuanto a materiales y no puede garantizar la esfericidad, la densidad compactada ni el rendimiento de las partículas procesadas. Por lo tanto, solo es adecuado para la producción de polvos esféricos con requisitos de calidad más bajos.
Secado por aspersión
El secado por aspersión consiste en atomizar una sustancia líquida en gotas, que luego se evaporan rápidamente en una corriente de aire caliente, solidificándose en partículas sólidas. Las ventajas del secado por aspersión son su simplicidad y la facilidad para controlar las propiedades del producto. Se utiliza principalmente en el campo de los explosivos y baterías militares.
Reacción química en fase gaseosa
La reacción química en fase gaseosa utiliza materias primas gaseosas (o evapora materias primas sólidas al estado gaseoso) para producir el compuesto deseado mediante una reacción química. Este compuesto se condensa rápidamente para producir polvos esféricos ultrafinos de diversas sustancias.
Método hidrotérmico
El método hidrotérmico utiliza un reactor a alta temperatura y presión, utilizando agua o un disolvente orgánico como medio de reacción. El tamaño de partícula se puede controlar eficazmente ajustando parámetros como la temperatura hidrotérmica, el tiempo hidrotérmico, el pH y la concentración de la solución.
Método de precipitación
El método de precipitación combina iones metálicos con un precipitante específico mediante una reacción química en una solución, generando diminutas partículas coloidales semisólidas y formando una suspensión estable. Posteriormente, al ajustar las condiciones de la reacción de precipitación, como el envejecimiento estático, la agitación lenta o la modificación del entorno de la solución, estas partículas coloidales se agregan gradualmente y crecen hasta alcanzar una forma esférica, formando un precipitado esférico primario. El precipitado resultante se seca o calcina para producir un polvo esférico.
Método Sol-Gel
El método sol-gel suele constar de tres etapas: preparación del sol, formación del gel y formación del polvo esférico. El tratamiento térmico puede mejorar aún más la estructura y las propiedades del polvo esférico, permitiendo un control preciso del tamaño y la morfología de las partículas.
Método de Microemulsión
El método de microemulsión es un método de preparación de un sistema bifásico líquido-líquido. Este método consiste en añadir un disolvente orgánico que contiene un precursor disuelto a una fase acuosa para formar una emulsión con pequeñas gotas. Las partículas esféricas se forman mediante nucleación, coalescencia, aglomeración y tratamiento térmico. Los métodos de microemulsión se utilizan ampliamente en la preparación de nanopartículas y materiales compuestos orgánico-inorgánicos.
Esferoidización por Plasma
Con el rápido desarrollo de la alta tecnología y la urgente necesidad de nuevos nanomateriales y procesos de preparación novedosos, la investigación y la aplicación de la química del plasma están recibiendo cada vez más atención. La esferoidización por plasma, caracterizada por alta temperatura, alta entalpía, alta reactividad química y atmósfera y temperatura de reacción controlables, es ideal para producir polvos esféricos de partículas pequeñas y alta pureza.
Otros métodos incluyen la deflagración, la peletización por llama de combustión de gas, la atomización ultrasónica, la atomización centrífuga, el corte por hilo, el punzonado y la refundición, y la pulverización microporosa pulsada.
¿Cómo modificar la superficie del polvo de nitruro de silicio?
La modificación superficial del polvo de nitruro de silicio consiste principalmente en tratar la superficie del polvo mediante diversos métodos físicos y químicos para mejorar sus propiedades físicas y químicas.
La modificación superficial puede reducir la atracción mutua entre las partículas de polvo, lo que permite una mejor dispersión del polvo en el medio y mejora la dispersabilidad de la suspensión. También puede mejorar la actividad superficial del polvo de nitruro de silicio, aumentando su compatibilidad con otras sustancias y, por lo tanto, desarrollando nuevas propiedades.
El principio fundamental de la modificación superficial del polvo es que la interacción entre el polvo y el modificador superficial mejora la humectabilidad de la superficie del polvo y su dispersión en medios acuosos u orgánicos.
1. Modificación del Recubrimiento de Superficies
La tecnología de modificación del recubrimiento de superficies utiliza la adsorción física o química para fijar uniformemente el material de recubrimiento a la superficie del objeto recubierto, formando una capa de recubrimiento uniforme y completa. La capa de recubrimiento formada durante el proceso de recubrimiento suele ser una monocapa.
La modificación del recubrimiento generalmente se clasifica como inorgánica y orgánica. El recubrimiento inorgánico consiste principalmente en depositar óxidos o hidróxidos apropiados sobre la superficie de las partículas cerámicas para modificar el polvo, pero esta modificación solo afecta las propiedades físicas. El recubrimiento orgánico, por otro lado, implica la selección de sustancias orgánicas como materiales de recubrimiento. Estas sustancias orgánicas se unen a grupos en la superficie de las partículas de polvo y se adsorben selectivamente en la superficie, impartiendo las propiedades de la capa de recubrimiento al polvo.
Esta tecnología de modificación ofrece bajo costo, pasos sencillos y fácil control, pero los resultados suelen ser limitados.
2. Tratamiento Ácido y Alcalino de Superficie
Los procesos de moldeo cerámico generalmente requieren suspensiones cerámicas con alto contenido de sólidos y baja viscosidad. La densidad de carga en la superficie del polvo influye significativamente en la reología y la dispersabilidad de la suspensión. El lavado de la superficie del polvo cerámico (tratamientos ácidos y alcalinos) puede alterar las propiedades de carga superficial del polvo. Como su nombre indica, este método de modificación implica mezclar y lavar a fondo el polvo de nitruro de silicio con soluciones ácidas o alcalinas de concentraciones variables.
Al mismo tiempo, el tratamiento alcalino a cierta concentración también puede reaccionar con la superficie de los polvos cerámicos. Investigaciones de Wang Yongming et al. han demostrado que el lavado alcalino puede reducir el contenido de silanol en la superficie del polvo de carburo de silicio, disminuyendo su grado de oxidación, alterando la repulsión electrostática entre partículas y mejorando las propiedades reológicas de la suspensión.
3. Modificación de Dispersantes
Debido a las diferencias entre los distintos tipos de polvos cerámicos, la selección de un dispersante adecuado o el diseño de uno nuevo es fundamental para aumentar el contenido de sólidos de la suspensión cerámica. El tipo y la cantidad de dispersante añadido pueden alterar significativamente el efecto sobre las propiedades cerámicas.
Los dispersantes generalmente presentan estructuras hidrofílicas e hidrofóbicas, y es mediante la interacción entre estos grupos hidrofílicos e hidrofóbicos que ajustan las propiedades de dispersión de la suspensión cerámica. Los dispersantes incluyen surfactantes o electrolitos poliméricos, incluyendo surfactantes catiónicos y aniónicos.
Los electrolitos poliméricos incluyen ácido polivinilsulfónico, ácido poliacrílico, polivinilpiridina y polietilenimina. Los dispersantes pueden experimentar reacciones de adsorción con la superficie del polvo, incluyendo adsorción química y física, aprovechando las fuerzas entre partículas (fuerzas de van der Waals y repulsión electrostática) y el potencial de efectos estéricos.
4. Modificación de la Hidrofobicidad Superficial
La modificación de la hidrofobicidad superficial implica la conversión de los grupos hidroxilo del polvo cerámico en grupos hidrófobos, como grupos hidrocarbonados, grupos alquilo de cadena larga y grupos cicloalquilo. Estos grupos orgánicos se unen a la superficie del polvo cerámico, ejerciendo un fuerte efecto hidrófobo, lo que permite una mejor dispersión en el medio de dispersión y evita la aglomeración.
Cuando se injertan polímeros en la superficie del polvo de nitruro de silicio, las largas cadenas poliméricas se unen a la superficie del polvo, mientras que las cadenas hidrófilas de los otros extremos se extienden hacia el medio acuoso. Durante todo el proceso de dispersión, las partículas de polvo experimentan repulsión entre partículas y un impedimento estérico creado por las largas cadenas de polímero, lo que da como resultado una mejor dispersión de la suspensión.
Cuatro áreas de aplicación innovadoras y perspectivas del caolín
El caolín, un mineral de silicato estratificado 1:1, posee numerosas propiedades, como dispersabilidad, plasticidad, sinterabilidad, propiedades refractarias, intercambiabilidad iónica y estabilidad química, lo que lo hace ampliamente utilizado en diversos campos industriales. Actualmente, sus aplicaciones se concentran principalmente en industrias tradicionales como la cerámica, la fabricación de papel y los refractarios.
1. Compuestos de alto rendimiento
La aplicación de caolín en compuestos puede mejorar las propiedades superficiales (como la capacidad de adsorción) de los materiales.
Los beneficios del caolín en compuestos incluyen la mejora de la adsorción, las propiedades eléctricas, la estabilidad térmica/resistencia al fuego y la estabilidad mecánica. Sin embargo, sus aplicaciones prácticas aún presentan desafíos, como la insuficiente dispersabilidad y compatibilidad interfacial del caolín en compuestos, lo que puede limitar su eficacia.
Las futuras líneas de investigación incluyen el desarrollo de tecnologías de modificación de la superficie del caolín más eficientes y ecológicas para mejorar su dispersabilidad y compatibilidad con los materiales de matriz. Explorar el diseño de compuestos multifuncionales a base de caolín para satisfacer las necesidades de aplicaciones específicas, como la captación de energía, el tratamiento de aguas residuales y la seguridad contra incendios; y aumentar aún más la superficie específica del caolín y el número de sitios activos mediante el procesamiento a nanoescala y la manipulación molecular, mejorando así su rendimiento. Además, se deben promover procesos de producción de compuestos de caolín de bajo coste y respetuosos con el medio ambiente, e integrar tecnologías de fabricación inteligente para lograr aplicaciones a gran escala.
2. Materiales porosos: Campo de los tamices moleculares
Los tamices moleculares son materiales con una estructura porosa ordenada que adsorben selectivamente diferentes moléculas. Se utilizan ampliamente en la refinación de petróleo, la petroquímica, la agricultura y el tratamiento de aguas. El caolín, un mineral natural común y económico, rico en sílice y alúmina, se puede utilizar directamente para sintetizar tamices moleculares de zeolita. En comparación con las fuentes tradicionales de silicio y aluminio, potencialmente tóxicas, el caolín no solo es respetuoso con el medio ambiente, sino que también reduce los costes y simplifica el proceso de síntesis.
El caolín no solo activa la actividad del silicato y la alúmina mediante pretratamientos sencillos como la calcinación y la lixiviación ácida, sino que también mejora el rendimiento de los tamices moleculares mediante la manipulación de agentes moldeadores y la optimización de la temperatura.
3. Biomedicina
El caolín es un tipo de mineral arcilloso nanosilicatado que se caracteriza por su excelente biocompatibilidad, alta superficie específica, inercia química, propiedades coloidales y tixotropía. En el campo de la biomedicina, la investigación está evolucionando gradualmente desde aplicaciones básicas como portadores de fármacos hacia aplicaciones biomédicas más complejas, como la terapia génica y la bioimpresión 3D. Las aplicaciones del caolín se han expandido desde el simple soporte físico y la liberación de fármacos hasta sistemas complejos que promueven el crecimiento celular y la administración de genes.
4. Almacenamiento de energía
El almacenamiento de energía siempre ha sido un tema de gran actualidad. La búsqueda de soluciones de almacenamiento de energía eficientes y sostenibles es una de las claves para abordar los desafíos energéticos globales. El caolín, con su estructura única y multifuncionalidad, se ha convertido en un candidato ideal para el almacenamiento de energía. El caolín se utiliza en diversos dispositivos de almacenamiento de energía, como baterías de iones de litio, supercondensadores y pilas de combustible microbianas.
Las futuras perspectivas de aplicación del caolín son las siguientes:
a. La investigación y el desarrollo de materiales innovadores se centrarán en el nanoprocesamiento del caolín y las tecnologías de modificación de superficies, con el objetivo de mejorar su rendimiento en electrónica, almacenamiento de energía y otros campos. Por ejemplo, se pueden desarrollar nanocompuestos a base de caolín combinándolos con polímeros o materiales a base de carbono para mejorar la resistencia mecánica y la conductividad.
b. El caolín tiene el potencial de aportar soluciones a problemas ambientales como el tratamiento de aguas y la remediación de suelos, en particular en la eliminación de metales pesados y la adsorción de contaminantes.
c. La integración de tecnologías interdisciplinarias promoverá la aplicación innovadora del caolín en el campo biofarmacéutico, integrando la biotecnología para desarrollar sistemas de administración de fármacos o andamiajes bioactivos.
d. Ante la creciente demanda del mercado de materiales respetuosos con el medio ambiente, las empresas deben fortalecer la colaboración con las instituciones de I+D para transformar los descubrimientos innovadores en productos competitivos, como cerámicas de caolín resistentes a altas temperaturas o compuestos ligeros.
e. Con el énfasis global en el desarrollo sostenible, el apoyo político y la viabilidad económica influirán en la dirección de la I+D y la aplicación del caolín. Por lo tanto, la industria necesita supervisar de cerca la disponibilidad de recursos y la optimización de costes, a la vez que fortalece la gestión de riesgos y mejora la competitividad global para afrontar el complejo entorno internacional.
Sulfato de bario modificado con SDS para uso cosmético
Los agentes opacificantes cosméticos son ingredientes clave para lograr efectos como la cobertura de imperfecciones y la luminosidad de la piel; su dispersabilidad y estabilidad afectan directamente el rendimiento y la vida útil del producto.
El sulfato de bario se utiliza ampliamente en cosmética debido a su alto índice de refracción, buena opacidad y estabilidad química. Sin embargo, su tendencia a aglomerarse limita su aplicación en cosmética.
Este estudio investiga la dispersabilidad y estabilidad del sulfato de bario en matrices cosméticas mediante la preparación de sulfato de bario ultrafino por molienda mecánica y la optimización de los procesos de modificación superficial y dispersión.
1. Métodos de modificación
(1) Pretratamiento del sulfato de bario
El sulfato de bario de grado industrial se secó y se tamizó con una malla de 200 micras en lotes. Para cada lote, se mezclaron 100 g de sulfato de bario con 0,5 g de ácido esteárico en un rodillo doble durante 3 min. Se ajustó la separación de los rodillos al mínimo y se realizó un paso repetido 6 veces, seguido de un último paso con una separación de 2 mm, completando la mezcla inicial. El sulfato de bario mezclado se secó a 80 °C durante 4 h para obtener el producto pretratado.
(2) Modificación superficial
A 100 partes de la formulación base, se añadieron diferentes proporciones de sulfato de bario pretratado y se sometieron a modificación superficial a 60 °C. Durante la modificación, se añadieron 1,5 partes de dodecil sulfato de sodio y se mezcló bien. Se ajustó la separación de los rodillos al mínimo y se realizó un paso repetido 6 veces antes de aplastar la mezcla, obteniendo el sulfato de bario modificado.
(3) Preparación de la dispersión
El sulfato de bario modificado se dispersó en la formulación base en diferentes proporciones mediante agitación mecánica y dispersión ultrasónica. Se pesó una cantidad determinada de sulfato de bario modificado, se añadió a agua desionizada y se dispersó por ultrasonido durante 10 min. A continuación, se añadió lentamente la formulación base con agitación y se agitó la mezcla durante 30 min más.
2. Proceso de modificación óptimo y evaluación del rendimiento
(1) Proceso de modificación óptimo
Mediante una investigación sistemática, se determinaron las condiciones óptimas del proceso: El sulfato de bario de grado industrial se tamizó con una malla de 200 micras y se secó a 60 °C durante 4 h. Se utilizó dodecil sulfato de sodio como agente modificador de superficie, en una proporción del 1,5% respecto al peso del sulfato de bario, y la modificación se realizó a 60 °C durante 2 horas. En el proceso de dispersión, el contenido de sulfato de bario se controló entre el 15% y el 20%, la temperatura de dispersión fue de 60 °C, el tiempo de dispersión de 15 minutos y el pH del sistema se mantuvo entre 8,0 y 8,5. Se utilizó una combinación de agitación mecánica y dispersión ultrasónica.
En estas condiciones, la dispersión resultante presentó las siguientes características: una distribución uniforme del tamaño de partícula, con un tamaño medio de 0,8–1,2 µm; buena estabilidad, sin sedimentación significativa durante 7 días; y una excelente cobertura, con una película uniforme y continua.
(2) Evaluación de la aplicación en cosmética
La dispersión de sulfato de bario preparada se evaluó en formulaciones cosméticas: la adición del 15% de la dispersión modificada a una crema de base proporcionó una buena cobertura y una agradable sensación al aplicarla, con buena compatibilidad con la matriz y sin separación de fases.
La adición del 20% de la dispersión a una formulación de corrector mejoró significativamente la cobertura, mantuvo una buena estabilidad y proporcionó un efecto natural y duradero.
Los resultados de la evaluación demuestran que la dispersión de sulfato de bario, preparada mediante el proceso optimizado, presenta un excelente rendimiento en aplicaciones cosméticas. ALPA se especializa en la molienda y clasificación ultrafinas para maximizar el valor de sus productos. Especialistas en molienda y clasificación ultrafinas de barita.
El potencial de la montmorillonita en el ámbito de las energías renovables
La montmorillonita (MMT) es un mineral silicato laminar. En su estructura, los átomos de aluminio de alta valencia en los octaedros de aluminio-oxígeno pueden ser fácilmente sustituidos por átomos de menor valencia, lo que genera una carga negativa entre las láminas. Para mantener la estabilidad de la estructura interlaminar, la montmorillonita adsorbe cationes como Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ y K+ del entorno. Esta característica confiere a la montmorillonita una gran capacidad de adsorción y de intercambio iónico. Esta estructura única y su capacidad de intercambio otorgan a la montmorillonita un gran potencial para aplicaciones en el campo de las nuevas tecnologías energéticas.
Materiales para baterías de litio
(1) Para electrolitos de estado sólido
Numerosos estudios han demostrado que la montmorillonita (MMT), como nuevo agente de carga inorgánico, mejora significativamente la conductividad iónica y las propiedades mecánicas de los electrolitos poliméricos sólidos (SPE).
(2) Creación de capas artificiales de interfaz electrolítica (SEI)
En las películas de interfaz electrolítica artificial (SEI), la montmorillonita-litio (Li-MMT) confiere buenas propiedades mecánicas a la capa SEI y proporciona canales de transporte de Li+, lo que ayuda a suprimir el crecimiento de dendritas de litio. Gracias a los rápidos canales de Li+ en Li-MMT, una celda completa Li-LiFePO4 con una capa SEI de Li-MMT presenta un rendimiento superior y mantiene una alta capacidad (90,6%) después de 400 ciclos a 1C.
(3) Optimización del separador
La MMT se utiliza para optimizar los separadores debido a sus excelentes propiedades de adsorción. En comparación con los separadores PE comerciales, el separador modificado con Li-MMT tiene una mayor concentración de Li+ en la interfaz electrodo/electrolito, lo que reduce la deposición selectiva de litio, disminuye la densidad de corriente local y suprime el crecimiento de dendritas.
(4) Optimización de electrolitos líquidos
En los sistemas de baterías de litio metálico, la montmorillonita presenta una mayor afinidad por el litio metálico que los electrolitos PEO, con un potencial zeta de +26 mV, lo que favorece la concentración de iones de litio cerca de la superficie de la montmorillonita. Con la adsorción y separación de iones de litio, el sobrepotencial aumenta ligeramente a -57,7 mV, lo que facilita la migración de los iones de litio desde la montmorillonita y su deposición en la superficie del colector de corriente de cobre. (5) Materiales portadores
Supercapacitores
Materiales moldeadores
Algunos minerales naturales presentan morfologías específicas, como la atapulgita, la montmorillonita, la haloisita y la diatomea, que se utilizan comúnmente como moldes para sintetizar materiales de carbono porosos con morfologías específicas. Además, es posible sintetizar polímeros conductores con morfologías específicas mediante el método de templado mineral. (2) Materiales portadores de electrodos
Para obtener materiales activos con morfologías específicas, y a la vez mejorar la capacidad específica y la estabilidad cíclica, los materiales activos pueden depositarse sobre la superficie de minerales como la montmorillonita y la haloisita.
Materiales para almacenamiento de metano
Actualmente, los investigadores están explorando la tecnología de almacenamiento de gas natural por adsorción, una alternativa económica, práctica y segura a las tecnologías tradicionales de gas natural comprimido y licuado. Los estudios han demostrado que los minerales arcillosos desempeñan un papel importante en la formación y el desarrollo de yacimientos de gas de esquisto y poseen capacidad de almacenamiento de gas.
Materiales electrocatalíticos
La electrocatalisis es un tipo de catalisis que acelera las reacciones de transferencia de carga en la interfaz electrodo/electrolito, y se ha utilizado ampliamente en campos como la evolución electroquímica de hidrógeno, la evolución de oxígeno y la reducción de NOx. Los minerales arcillosos, como la montmorillonita, se han utilizado como portadores de componentes para reacciones electrocatalíticas, evitando la aglomeración de partículas, mejorando la estabilidad de las moléculas sensibilizadoras y aumentando la selectividad de la reacción.
Materiales para almacenamiento térmico por cambio de fase
Los materiales para almacenamiento térmico por cambio de fase (PCM) son un nuevo tipo de material funcional que aprovecha la absorción o liberación de calor durante el cambio de fase para el almacenamiento y liberación de energía térmica. Los minerales naturales desempeñan un papel importante en este campo. Por un lado, son excelentes materiales inorgánicos para el cambio de fase y, tras la adición de agentes nucleadores y espesantes, pueden transformarse en materiales de alto rendimiento. Por otro lado, su estructura porosa sirve como excelente soporte para estos materiales.
Modificación del recubrimiento en polvo de dióxido de titanio
La modificación superficial del polvo de dióxido de titanio (óxido de titanio) es un método importante para mejorar su rendimiento (como la dispersabilidad, la resistencia a la intemperie, el brillo y la estabilidad química). Las técnicas comunes de modificación superficial se pueden clasificar en tres tipos: recubrimiento inorgánico, recubrimiento orgánico y recubrimiento compuesto. A continuación, se presenta una clasificación detallada y una breve descripción de estos métodos:
Modificación por recubrimiento inorgánico
Este método consiste en recubrir la superficie de las partículas de dióxido de titanio con una capa de óxidos o sales inorgánicas, formando una barrera física que mejora su estabilidad química y sus propiedades ópticas.
1. Recubrimiento de óxido
Principio: Los hidróxidos de óxido metálico (como SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, etc.) se precipitan sobre la superficie de las partículas de dióxido de titanio, formando una capa de recubrimiento uniforme.
Proceso: Normalmente, se utiliza un método de deposición en fase líquida, donde se añaden sales metálicas (como silicato de sodio, sulfato de aluminio) a la suspensión de dióxido de titanio, y se ajusta el pH para precipitar los hidróxidos de óxido metálico sobre la superficie.
2. Recubrimiento de óxido compuesto
Principio: Recubrimiento con dos o más óxidos metálicos (como Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂, etc.), combinando las ventajas de cada componente.
Características: Mayor rendimiento global; por ejemplo, el recubrimiento de Al₂O₃-SiO₂ mejora simultáneamente la dispersabilidad y la resistencia a la intemperie, siendo adecuado para recubrimientos automotrices y de bobinas exigentes.
3. Recubrimiento de sal
Principio: Uso de sales metálicas (como fosfatos, silicatos, sulfatos, etc.) para formar una capa de sal insoluble sobre la superficie de las partículas de dióxido de titanio.
Modificación por recubrimiento orgánico
Este método consiste en la reacción de compuestos orgánicos con los grupos hidroxilo de la superficie del dióxido de titanio, formando una capa molecular orgánica que mejora su compatibilidad con medios orgánicos.
1. Recubrimiento con agente de acoplamiento
Principio: Se aprovecha la estructura anfifílica de los agentes de acoplamiento (como silanos, titanatos y aluminatos): un extremo se une a los grupos hidroxilo de la superficie del dióxido de titanio, mientras que el otro extremo reacciona con la matriz orgánica (resina, polímero, etc.).
Funciones:
Agentes de acoplamiento silánicos: Mejoran la dispersabilidad del dióxido de titanio en sistemas acuosos, comúnmente usados en recubrimientos y tintas a base de agua.
Agentes de acoplamiento de titanato/aluminato: Mejoran la compatibilidad en sistemas oleosos, como plásticos y caucho, reduciendo la aglomeración durante el procesamiento. 2. Recubrimiento con surfactantes
Principio: Los surfactantes (ácidos grasos, sulfonatos y sales de amonio cuaternario) se adhieren a la superficie de dióxido de titanio mediante adsorción física o reacción química, formando una capa con carga o una capa hidrófoba.
3. Recubrimiento con polímeros
Principio: Los polímeros (acrilatos, resinas epoxi y siloxanos) se unen a la superficie del dióxido de titanio mediante reacciones de polimerización.
Funciones:
Forma una capa de recubrimiento gruesa, protegiendo mejor contra agentes químicos y mejorando la resistencia a la intemperie y las propiedades mecánicas.
Mejora la compatibilidad con resinas específicas, ideal para compuestos y recubrimientos de alto rendimiento.
4. Recubrimiento organosilícico
Principio: Se aprovecha la baja energía superficial de los polisiloxanos (aceite de silicona, resina de silicona, etc.) para recubrir las partículas de dióxido de titanio.
Funciones: Reduce la tensión superficial, mejora la dispersabilidad y la lubricidad; se usa comúnmente en tintas y cosméticos.
Modificación de recubrimientos compuestos
Combinando las ventajas de los recubrimientos inorgánicos y orgánicos, un proceso de doble recubrimiento (secuencial o simultáneo) logra un rendimiento óptimo.
1. Recubrimiento orgánico-inorgánico secuencial
Proceso: Primero se forma una barrera física con óxidos inorgánicos (SiO₂), luego se realiza la modificación orgánica con agentes de acoplamiento o polímeros.
Características: Equilibra la resistencia a la intemperie y la compatibilidad; ideal para recubrimientos arquitectónicos o pinturas automotrices de alto rendimiento.
2. Recubrimiento orgánico-inorgánico simultáneo
Proceso: Los agentes de recubrimiento inorgánicos y orgánicos se introducen simultáneamente en el mismo sistema de reacción para formar una estructura núcleo-capa.
Características: La capa de recubrimiento presenta mayor adhesión y un rendimiento significativamente mejorado; ideal para aplicaciones de alta gama (recubrimientos aeroespaciales, nanocompuestos).
Otras tecnologías de recubrimiento
1. Recubrimiento con nanopartículas
Principio: El uso de nanopartículas (nano-SiO₂, nano-ZnO) mejora la protección UV y la transparencia; se usa comúnmente en protectores solares y recubrimientos ópticos.
2. Microencapsulación
Principio: Se encapsulan partículas de dióxido de titanio en microcápsulas poliméricas, liberando el dióxido de titanio al controlar las condiciones de ruptura de la cápsula (temperatura, pH); ideal para recubrimientos inteligentes y sistemas de liberación controlada.
La selección del método de recubrimiento depende de la aplicación (recubrimientos, plásticos, tintas, cosméticos) y los requisitos de rendimiento (resistencia a la intemperie, dispersabilidad, compatibilidad, etc.).
Seis métodos principales de modificación del óxido de zinc nano
El nanoóxido de zinc es un nuevo tipo de material químico inorgánico fino y funcional. Gracias a su pequeño tamaño de partícula y a su gran superficie específica, posee propiedades fisicoquímicas únicas en química, óptica, biología y electrónica. Se utiliza ampliamente en aditivos antimicrobianos, catalizadores, caucho, tintes, tintas, recubrimientos, vidrio, cerámica piezoeléctrica, optoelectrónica y aplicaciones químicas cotidianas, y presenta un gran potencial de desarrollo y utilización.
Sin embargo, debido a su gran superficie específica y a su alta energía superficial específica, el nanoóxido de zinc presenta una fuerte polaridad superficial, es propenso a la autoaglomeración y es difícil de dispersar uniformemente en medios orgánicos, lo que limita significativamente su nanoefecto. Por lo tanto, la dispersión y la modificación superficial de los polvos de nanoóxido de zinc son tratamientos esenciales antes de que los nanomateriales puedan aplicarse en matrices.
1. Modificación de tensioactivos
La modificación de tensioactivos implica la interacción electrostática de estos para formar un recubrimiento orgánico sobre la superficie de los nanomateriales, mejorando así su compatibilidad con las matrices orgánicas.
Aunque la modificación de surfactantes es un proceso sencillo, su eficacia suele ser baja, lo que dificulta la formación de un recubrimiento estable y robusto sobre la superficie de los nanomateriales.
2. Modificación Mecanoquímica
La modificación mecanoquímica utiliza fuerzas mecánicas para alterar las propiedades físicas y químicas de los nanomateriales, mejorando así su afinidad y reactividad con otras sustancias.
Sin embargo, la modificación mecanoquímica suele ser prolongada y, por lo general, presenta malos resultados en nanomateriales.
3. Modificación de Alta Energía
La modificación de alta energía implica la polimerización de monómeros de compuestos orgánicos mediante plasma o tratamiento de radiación, que posteriormente recubre la superficie del nanomaterial.
La modificación de alta energía generalmente logra mejores resultados que los dos métodos anteriores, pero presenta desventajas como un alto consumo de energía y dificultades técnicas.
4. Modificación por Esterificación
La esterificación es un método de modificación de la superficie que utiliza los grupos de ácido carboxílico en modificadores como ácidos grasos superiores o ácidos orgánicos insaturados para reaccionar con los grupos hidroxilo en la superficie de un nanomaterial y lograr la esterificación.
El método de esterificación es simple, pero su efecto de modificación es bajo y generalmente requiere un agente de acoplamiento.
5. Injerto de Polímero
El injerto de polímero implica primero injertar un monómero de polímero en la superficie de un nanomaterial, luego iniciar una reacción de polimerización para extender la cadena de carbono y finalmente permitir que el polímero cubra todo el nanomaterial.
El método de injerto de polímero es complejo y el efecto de modificación se ve afectado por diversos factores, lo que dificulta su aplicación generalizada.
6. Modificación con Agente de Acoplamiento
Un agente de acoplamiento se basa en un elemento de silicio o metal, con dos grupos diferentes a cada lado que pueden conectarse a matrices inorgánicas y orgánicas. Estos tres componentes trabajan juntos para lograr la modificación química del nanomaterial. El nanoóxido de zinc se modificó con el agente de acoplamiento de silano APS. Tanto el nanoóxido de zinc modificado como el no modificado se dispersaron en etanol anhidro para preparar tintas de impresión destinadas a la capa de transporte de electrones en células fotovoltaicas. Posteriormente, se comparó el rendimiento de ambas tintas. Los resultados mostraron que el nanoóxido de zinc modificado se dispersó mejor en etanol anhidro y permaneció aglomerado durante 12 meses. El material de la capa de transporte de electrones preparado con este agente mostró una mayor eficiencia de transferencia de electrones y cumplió con los estándares de rendimiento del dispositivo incluso con espesores más delgados.
El nanoóxido de zinc se modificó químicamente utilizando agentes de acoplamiento de silano con grupos funcionales gliciloxi y amino. Tanto el nanoóxido de zinc modificado como el no modificado se incorporaron a recubrimientos epóxicos para realizar pruebas de resistencia a la intemperie. Los resultados mostraron que los recubrimientos epóxicos que incorporan nanoóxido de zinc modificado con el agente de acoplamiento gliciloxisilano mostraron cambios significativamente menores en el ángulo de contacto, el color y los grupos carbonilo después de 450 horas de envejecimiento acelerado, lo que demuestra una resistencia a la intemperie significativamente mejorada en comparación con los recubrimientos epóxicos que contienen nanoóxido de zinc sin modificar.
El método del agente de acoplamiento es el método de modificación más prometedor debido a su proceso simple, buen efecto de modificación y bajo costo.
Al comparar los diversos métodos de modificación de superficies mencionados anteriormente, y considerando tanto el efecto de modificación como la dificultad, se puede observar que el método de esterificación y el método del agente de acoplamiento son más adecuados para la modificación de superficies de nanomateriales.
La alúmina calcinada se ha convertido en un importante soporte para el desarrollo de la industria cerámica.
La alúmina calcinada, un material inorgánico no metálico elaborado a partir de alúmina industrial calcinada a altas temperaturas, posee numerosas propiedades notables. En primer lugar, su alta dureza es una de sus características distintivas. Su dureza Mohs alcanza el nivel 9, superada solo por el diamante. Esto confiere a los productos cerámicos fabricados con ella una excepcional resistencia al desgaste, manteniendo una buena apariencia y estabilidad estructural durante un uso prolongado. En segundo lugar, posee una excelente resistencia a altas temperaturas, capaz de soportar temperaturas superiores a miles de grados Celsius sin deformarse ni sufrir daños, característica que la hace especialmente útil en el campo de la cerámica de alta temperatura. Además, la alúmina calcinada presenta una excelente estabilidad química y no es susceptible a reacciones químicas con otras sustancias, lo que garantiza el rendimiento estable de los productos cerámicos.
Principales funciones de la alúmina calcinada en esmaltes
Gracias a su alta pureza, dureza y excelente estabilidad química, la alúmina calcinada se utiliza ampliamente en esmaltes, especialmente para cerámica doméstica, cerámica arquitectónica y cerámicas especiales. En aplicaciones prácticas, no solo mejora significativamente la dureza y la resistencia al desgaste de la superficie del esmaltado, reduciendo eficazmente los arañazos y el desgaste durante el uso y prolongando así la vida útil de los productos cerámicos; también mejora la estabilidad química del esmaltado, reduciendo el riesgo de corrosión ácida y alcalina, y mejorando la resistencia a las manchas y la durabilidad del producto. Además, la adición adecuada de alúmina calcinada permite ajustar la temperatura de fusión y la viscosidad del esmaltado, mejorando su fluidez, evitando defectos como poros y contracción del esmaltado, y dando como resultado una superficie más lisa y uniforme. Además, sus propiedades ópticas únicas ayudan a controlar el brillo del esmaltado, aportando una textura delicada a los esmaltados mate y mejorando la uniformidad del brillo en los esmaltados brillantes para satisfacer los requisitos de diseño de diversos productos cerámicos.
En aplicaciones con pigmentos, la alúmina calcinada puede proporcionar un soporte estable para pigmentos de óxidos metálicos (como óxido de hierro y óxido de cobalto), inhibir la volatilización o difusión de pigmentos a altas temperaturas y evitar la efloración y la decoloración del esmaltado. Especialmente en esmaltes de alta temperatura, puede fijar la concentración del color y la consistencia del tono, lo que ayuda a lograr efectos decorativos cerámicos ricos y duraderos. Es un elemento clave para impulsar el desarrollo de esmaltes cerámicos de color hacia un alto rendimiento y una alta estabilidad.
Mecanismo de acción de los óxidos de tierras raras en refractarios de magnesia-calcio
Las propiedades de un elemento determinan su rendimiento, y las tierras raras no son la excepción. Su rendimiento está estrechamente relacionado con sus propiedades. Los principales factores que determinan sus propiedades físicas (como la dureza, la estructura cristalina y el punto de fusión) son sus radios atómicos e iónicos. Los metales de tierras raras tienen puntos de fusión altos que aumentan con el número atómico, aunque esta tendencia no es muy constante. Los elementos de tierras raras suelen perder sus electrones orbitales s y d externos, formando un estado de valencia +3, lo que da lugar a óxidos de tierras raras. Este estado de valencia +3 es el estado de oxidación característico de los elementos de tierras raras. Los óxidos de tierras raras tienen puntos de fusión superiores a 2000 °C y son no volátiles. Son semiconductores conductores mixtos con conductividad tanto electrónica como iónica. La conductividad electrónica se refiere a la conducción de electrones y huecos, mientras que la conductividad iónica se refiere al movimiento de iones de oxígeno dentro de las vacantes de oxígeno, esencialmente la conducción de iones de oxígeno.
Además de utilizar tierras raras directamente como componentes de matriz o centros funcionales basados en las propiedades ópticas y magnéticas de los electrones 4f, sus propiedades químicas, como su reactividad química y su amplio radio iónico, también pueden aprovecharse para modificar la microestructura del material, mejorando así su rendimiento. Las cerámicas semiconductoras funcionales dopadas con tierras raras son un ejemplo destacado. La adición de óxidos de tierras raras a materiales refractarios no solo mejora la resistencia y tenacidad inherentes del material, sino que también reduce las temperaturas de sinterización y los costes de producción.
Gracias a su no toxicidad, alta eficiencia y propiedades físicas y químicas únicas, los compuestos de tierras raras se utilizan cada vez más en una amplia gama de aplicaciones, evolucionando desde aplicaciones primarias en metalurgia, ingeniería química y cerámica hasta aplicaciones avanzadas en materiales compuestos de alto rendimiento, como el almacenamiento de hidrógeno y la luminiscencia. La investigación sobre la aplicación de óxidos de tierras raras en materiales cerámicos ha despertado un gran interés. Diversos estudios han demostrado que la adición de óxidos de tierras raras mejora significativamente el rendimiento de los materiales cerámicos, garantizando su calidad y rendimiento en diversas aplicaciones. Además, los óxidos de tierras raras, como fundentes, pueden promover la sinterización, mejorar la microestructura de la cerámica y proporcionar dopaje y modificación.
Los óxidos de tierras raras, como aditivos, mejoran las propiedades de los materiales refractarios, demostrando sus beneficios únicos y significativos al mejorar el rendimiento y otorgar nuevas funciones. La adición de pequeñas cantidades de óxidos de tierras raras aumenta la densidad de los refractarios de magnesia-calcio, mejorando su densidad y resistencia a la corrosión.
Los óxidos de tierras raras se utilizan como aditivos en refractarios de magnesia-calcio para mejorar su sinterabilidad, compacidad, microestructura, composición de la fase cristalina, resistencia a la flexión a temperatura ambiente y tenacidad a la fractura, cumpliendo así con los requisitos de rendimiento del mercado para refractarios de magnesia-calcio. Existen tres mecanismos principales para la adición de óxidos de tierras raras a los materiales refractarios de magnesio-calcio. (1) Los aditivos como fundentes pueden promover la sinterización. La temperatura de sinterización de los materiales refractarios de magnesio-calcio suele ser alta, y existen muchos factores que dificultan la densificación durante el proceso. La adición de óxidos de tierras raras puede solucionar este problema. Debido a las propiedades únicas de estos óxidos, su adición a los materiales refractarios puede modificar su estructura interna, promoviendo así la sinterización. (2) Los óxidos de tierras raras pueden mejorar la microestructura de los materiales refractarios de magnesio-calcio. Esto reduce la velocidad de migración del límite de grano, inhibe el crecimiento del grano y favorece la formación de una estructura densa. (3) Modificación por dopaje de los óxidos de tierras raras. El dopaje de óxidos de tierras raras durante la preparación de materiales refractarios modifica la forma cristalina de la muestra, lo que a su vez modifica su volumen. Este cambio puede mejorar considerablemente su resistencia a la flexión y tenacidad. La investigación sobre la adición de aditivos para mejorar y optimizar las propiedades relevantes de los materiales en el proceso de preparación de refractarios siempre ha atraído la atención del público. La investigación actual se centra en el problema de la dificultad de sinterización y la facilidad de hidratación de las materias primas de arena de magnesia y calcio. Los principales aditivos incluyen ZrO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃, óxidos de tierras raras, etc.
Aplicación del sulfato de bario en 10 industrias
El sulfato de bario es un término desconocido para la mayoría de las personas, e incluso quienes no están familiarizados con la química podrían considerarlo una sustancia química peligrosa. Sin embargo, el sulfato de bario es omnipresente en nuestra vida diaria, a menudo presente en productos manufacturados. Por ejemplo, la mayoría de los productos plásticos de nuestros hogares, aires acondicionados, piezas de plástico para automóviles, bolsas de supermercado, pinturas, recubrimientos y vidrio pueden contener sulfato de bario.
Aplicación del sulfato de bario en diez industrias principales
1. Industria petrolera: Polvo de barita de malla 200 y 325 para aditivos de lodos de perforación en yacimientos de petróleo y gas.
2. Industria química: Las plantas de sal de barita utilizan barita como materia prima para producir litopón, sulfato de bario precipitado y carbonato de bario.
3. Industria de pinturas y recubrimientos: La barita se puede utilizar como relleno en pinturas y recubrimientos, reemplazando materias primas más costosas como el sulfato de bario precipitado, el litopón, el dióxido de titanio y la sílice activada. Es adecuada para controlar la viscosidad de la pintura y lograr un color brillante y estable. 4. Industria del plástico: La barita se puede utilizar como relleno en materias primas de plástico ABS, aportando un brillo intenso y mejorando la resistencia, la rigidez y la resistencia al desgaste.
5. Industria del caucho: El polvo de barita con un tamaño de malla inferior a 500 se utiliza ampliamente como relleno en productos de caucho, lo que reduce los costos y mejora la dureza, la resistencia a ácidos y álcalis, y la impermeabilidad. También proporciona un excelente refuerzo para caucho natural y sintético.
6. Industria del papel: El polvo de barita de alta finura se puede utilizar como relleno y como relleno de recubrimiento en pizarras blancas y papel estucado para mejorar la blancura y la cobertura de la superficie. Especificaciones del producto: malla 325, malla 400, malla 600, malla 800, malla 1250, malla 1500, malla 2000, malla 2500, malla 3000, malla 4000, malla 5000, malla 6000.
7. Industria del Cemento
La adición de mineralizadores compuestos de barita y fluorita a la producción de cemento puede aumentar su blancura y resistencia. Se puede utilizar para fabricar cemento de bario, mortero de barita y hormigón de barita, que se puede utilizar en edificios que requieren protección contra rayos X.
8. Industria del Vidrio
Se puede utilizar como desoxidante, clarificador y fundente para aumentar la estabilidad óptica, el brillo y la resistencia del vidrio.
9. Industria de la Construcción
Se puede utilizar como agregado de hormigón, material de pavimentación, para reforzar tuberías enterradas en zonas pantanosas y como sustituto de las láminas de plomo en el blindaje de instalaciones nucleares, centrales atómicas y laboratorios de rayos X, prolongando la vida útil de las superficies de las carreteras.
10. Industria Cerámica
El polvo de barita también se puede utilizar como relleno de alta calidad en la cerámica y otras industrias. Actualmente, el uso de sulfato de bario en la industria cerámica está disminuyendo, mientras que el de polvo de wollastonita está aumentando.
Las aplicaciones en las diez industrias mencionadas son cruciales y esenciales para la subsistencia de las personas. Esto demuestra la importancia y la amplia gama de aplicaciones del sulfato de bario, un polvo mineral inorgánico no metálico.