¿Cómo equilibrar la resistencia y el costo del talco en la modificación de plásticos?
En la industria actual del plástico, los plásticos modificados han atraído mucha atención por su excelente rendimiento y sus amplios campos de aplicación. El talco, como importante relleno mineral inorgánico, desempeña un papel vital en la modificación de plásticos.
El talco no solo puede mejorar eficazmente las propiedades físicas de los productos plásticos, sino también reducir sus costos de producción en cierta medida. Sin embargo, controlar razonablemente los costos y garantizar la resistencia se ha convertido en un tema importante en la modificación de plásticos. Cuando se utiliza talco en la modificación de plásticos, ¿cómo se puede equilibrar la relación entre el módulo de flexión, la resistencia al impacto, etc., y el costo ajustando la cantidad de talco añadido y sus características?
El talco es un mineral de silicato de magnesio natural con una estructura escamosa. En la modificación de plásticos, el talco puede mejorar significativamente la rigidez, la dureza superficial, la resistencia a la fluencia térmica, el aislamiento eléctrico y la estabilidad dimensional de los productos plásticos. Al mismo tiempo, también puede aumentar la resistencia al impacto de los plásticos y mejorar la fluidez y las propiedades de procesamiento. Este efecto de refuerzo se debe principalmente a la estructura microescamosa del talco, que puede formar puntos de reticulación física eficaces en la matriz plástica, mejorando así su rendimiento general.
El módulo de flexión es un indicador importante para medir la capacidad de los plásticos para resistir la deformación por flexión. Añadir talco a los plásticos puede mejorar significativamente dicho módulo. Esto se debe a que la estructura rígida del talco mejora la capacidad de soporte estructural de los plásticos, reduciéndolos a la flexión y deformación al ser sometidos a fuerzas externas. Sin embargo, cabe destacar que a medida que aumenta la cantidad de talco añadido, también aumenta la viscosidad del sistema, lo que puede afectar el rendimiento del procesamiento del plástico. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, es necesario considerar exhaustivamente la mejora del módulo de flexión y el equilibrio del rendimiento del procesamiento.
La resistencia al impacto es un indicador importante para medir la capacidad de los plásticos para resistir cargas de impacto. Añadir una cantidad adecuada de talco a los plásticos puede mejorar la resistencia al impacto hasta cierto punto. Sin embargo, una cantidad excesiva de talco añadido puede provocar una disminución de la fuerza de unión gravitacional entre las moléculas del plástico, lo que afecta a la resistencia al impacto. Por lo tanto, al buscar una alta resistencia, es necesario controlar razonablemente la cantidad de talco añadido para evitar un impacto negativo en la resistencia al impacto.
En la modificación de plásticos, la clave para equilibrar la resistencia y el coste reside en la selección adecuada de las variedades de talco, el tamaño de partícula y la cantidad añadida. A continuación, se presentan algunas estrategias específicas:
1. Elegir talco de alta calidad
El talco de alta calidad presenta una mayor pureza y una estructura de escamas más completa, lo que puede mejorar eficazmente el rendimiento de los plásticos. Aunque el precio del talco de alta calidad es relativamente alto, la mejora del rendimiento que aporta a menudo puede compensar el aumento del coste e incluso aportar un mayor valor añadido.
2. Optimizar la distribución del tamaño de partícula del talco
Una distribución adecuada del tamaño de partícula puede mejorar la uniformidad de la dispersión del talco en la matriz plástica, desempeñando así un papel de refuerzo más eficaz. Al mismo tiempo, una distribución adecuada del tamaño de partícula también puede reducir la viscosidad del sistema y mejorar el rendimiento del procesamiento.
3. Control preciso de la cantidad añadida
Un control preciso de la cantidad añadida de talco permite garantizar la resistencia, evitando impactos negativos en propiedades como la resistencia al impacto. Además, una cantidad añadida razonable puede reducir los costos de producción y mejorar los beneficios económicos.
4. Uso de talco modificado
El talco modificado presenta una mayor afinidad interfacial y una mejor dispersabilidad, lo que mejora el rendimiento de los plásticos. Si bien el precio del talco modificado es relativamente alto, la mejora del rendimiento y del procesamiento que aporta a menudo compensa el aumento del costo.
14 métodos de recubrimiento superficial de polvo ultrafino
Los polvos ultrafinos suelen referirse a partículas con un tamaño de partícula de micrómetros o nanómetros. En comparación con los materiales convencionales a granel, presentan mayor área superficial específica, actividad superficial y mayor energía superficial, lo que les permite exhibir excelentes propiedades ópticas, térmicas, eléctricas, magnéticas, catalíticas y otras. En los últimos años, los polvos ultrafinos se han estudiado ampliamente como material funcional y su uso se ha extendido cada vez más en diversos ámbitos del desarrollo económico nacional.
Sin embargo, debido a sus problemas específicos de aglomeración y dispersión, han perdido muchas de sus excelentes propiedades, lo que limita seriamente su aplicación industrial.
Métodos para el recubrimiento de la superficie de los polvos ultrafinos
1. Método de mezcla mecánica. Se utilizan fuerzas mecánicas como extrusión, impacto, cizallamiento y fricción para distribuir uniformemente el modificador sobre la superficie exterior de las partículas de polvo, de modo que los diversos componentes puedan penetrar y difundirse entre sí para formar un recubrimiento. Los principales métodos utilizados actualmente son la molienda con bolas, la molienda con agitación y el impacto con flujo de aire a alta velocidad.
2. Método de reacción en fase sólida. Mezclar y moler varias sales u óxidos metálicos según la fórmula y luego calcinarlos para obtener directamente polvos recubiertos ultrafinos mediante una reacción en fase sólida.
3. Método hidrotérmico. En un sistema cerrado de alta temperatura y alta presión, se utiliza agua como medio para obtener un entorno físico y químico especial, imposible de obtener en condiciones normales de presión, de modo que el precursor de la reacción se disuelva completamente y alcance cierto grado de sobresaturación, formando así una unidad de crecimiento, y posteriormente se nuclea y cristaliza para obtener un polvo compuesto.
4. Método sol-gel. Primero, el precursor del modificador se disuelve en agua (o un disolvente orgánico) para formar una solución uniforme, y el soluto y el disolvente se hidrolizan o alcoholizan para obtener un sol modificador (o su precursor). A continuación, las partículas recubiertas pretratadas se mezclan uniformemente con el sol para dispersarlas uniformemente. Este se trata para convertirlo en un gel y se calcina a alta temperatura para obtener un polvo recubierto con un modificador en la superficie, logrando así la modificación superficial del polvo.
5. Método de precipitación. Se añade un precipitante a una solución que contiene partículas de polvo, o se añade una sustancia que pueda desencadenar la generación de un precipitante en el sistema de reacción, de modo que los iones modificados experimenten una reacción de precipitación y precipiten sobre la superficie de las partículas, recubriéndolas así.
6. Método de coagulación heterogénea (también conocido como "método de heterofloculación"). Este método se basa en el principio de que las partículas con cargas opuestas en la superficie pueden atraerse entre sí y coagularse.
7. Método de recubrimiento por microemulsión. Primero, el polvo ultrafino a recubrir se prepara con el diminuto núcleo de agua proporcionado por la microemulsión W/O (agua en aceite). Posteriormente, se recubre y modifica mediante polimerización en microemulsión.
8. Método de nucleación no uniforme. Según la teoría del proceso de cristalización LAMER, la capa de recubrimiento se forma mediante la nucleación y el crecimiento no uniformes de las partículas modificadoras sobre la matriz de partículas recubiertas.
9. Método de recubrimiento químico. Se refiere al proceso de precipitación de metales mediante un método químico sin aplicar corriente externa. Existen tres métodos: método de reemplazo, método de recubrimiento por contacto y método de reducción.
10. Método de fluidos supercríticos. Es una nueva tecnología aún en investigación. En condiciones supercríticas, la reducción de la presión puede provocar sobresaturación y alcanzar una alta tasa de sobresaturación, de modo que el soluto sólido cristaliza a partir de la solución supercrítica.
11. Deposición química en fase de vapor. A una temperatura relativamente alta, el gas mezclado interactúa con la superficie del sustrato, provocando la descomposición de algunos de sus componentes y la formación de una capa metálica o compuesta sobre el sustrato.
12. Método de alta energía. El método de recubrimiento de nanopartículas mediante rayos infrarrojos, ultravioleta, gamma, descarga corona, plasma, etc., se conoce colectivamente como método de alta energía. Este método suele utilizar sustancias con grupos funcionales activos para lograr el recubrimiento superficial de las nanopartículas bajo la acción de partículas de alta energía.
13. Método de descomposición térmica por pulverización. El principio del proceso consiste en pulverizar una solución mixta de varias sales que contienen los iones positivos necesarios en una niebla, enviarla a una cámara de reacción calentada a una temperatura determinada y generar partículas finas de polvo compuesto mediante la reacción.
14. Método de microencapsulación. Un método de modificación de la superficie que cubre una película uniforme de cierto espesor sobre la superficie del polvo. El tamaño de partícula de las microcápsulas normalmente preparadas es de 2 a 1000 μm y el espesor del material de la pared es de 0,2 a 10 μm.
Polvo de níquel ultrafino: ¡tamaño pequeño, gran efecto!
El polvo de níquel ultrafino se refiere generalmente al níquel con un tamaño de partícula inferior a 1 μm. Según el tamaño de partícula, el polvo de níquel ultrafino se suele dividir en polvo de níquel de grado micrométrico (tamaño de partícula promedio ≥ 1 μm), polvo de níquel de grado submicrónico (tamaño de partícula promedio de 0,1-1,0 μm) y polvo de níquel de grado nanométrico (tamaño de partícula promedio de 0,001-0,100 μm). El polvo de níquel ultrafino se caracteriza por su pequeño tamaño, alta actividad superficial, buena conductividad y excelente conductividad magnética. Se utiliza ampliamente en carburo cementado, condensadores cerámicos multicapa de chip, materiales magnéticos, catalizadores de alta eficiencia, lodos conductores, materiales absorbentes, materiales de blindaje electromagnético y otros campos. Muchos campos exigen altos requisitos de pureza, dispersabilidad y esfericidad del polvo de níquel, por lo que la preparación de polvo de níquel ultrafino esférico con buena esfericidad, alta pureza y alta dispersabilidad se ha convertido en el foco de investigación actual en la preparación de polvo de níquel. El polvo de níquel ultrafino se utiliza ampliamente en diversos campos industriales y de alta tecnología gracias a su alta superficie específica, excelente conductividad, actividad catalítica y propiedades magnéticas.
Áreas de la electrónica y los semiconductores
Condensadores cerámicos multicapa (MLCC): El polvo de níquel ultrafino es un material clave para los electrodos internos de los MLCC, sustituyendo la aleación tradicional de paladio/plata, un metal precioso. Esto reduce significativamente los costes de fabricación y satisface las necesidades de componentes electrónicos miniaturizados y de alta frecuencia.
Pasta y embalaje conductor: Gracias a su alta conductividad y dispersabilidad, se utiliza en pastas electrónicas y recubrimientos conductores de placas de circuito impreso (PCB) para mejorar la conductividad y la disipación térmica de los dispositivos electrónicos.
Materiales semiconductores: Como relleno conductor en el embalaje de chips, mejora la conductividad térmica y la estabilidad mecánica del material.
Almacenamiento y conversión de energía
Baterías de iones de litio: Como material de electrodo positivo (como el LiNiO₂), mejora significativamente la densidad energética y la vida útil de la batería, especialmente para vehículos de nueva energía y sistemas de almacenamiento de energía. Pilas de combustible: Se utilizan como catalizadores (como catalizadores de reacción de hidrógeno-oxígeno) para mejorar la eficiencia de la reacción, reducir el uso del metal precioso platino y reducir los costos.
Supercondensadores: Mejoran la capacidad de almacenamiento de carga de los materiales de los electrodos mediante la optimización de la nanoestructura.
Catálisis y protección ambiental
Productos petroquímicos: Se utilizan como catalizadores eficientes en la hidrogenación, deshidrogenación y otras reacciones para mejorar el rendimiento y la pureza del producto, como la hidrogenación de tolueno para producir metilciclohexano.
Protección ambiental: Se utilizan para el tratamiento de gases residuales y aguas residuales, la degradación catalítica de contaminantes y la reducción de emisiones de sustancias nocivas.
Catálisis de nuevas energías: En la producción de energía a partir de hidrógeno, la producción eficiente de hidrógeno mediante la reacción de reformado con vapor (SMR) promueve el desarrollo de energías limpias.
Materiales magnéticos y tecnología de absorción de ondas
Fluido magnético y medio de almacenamiento: Se dispersan en el líquido portador para formar fluido magnético o se utilizan en dispositivos de almacenamiento magnético de alta densidad (como discos cuánticos).
Materiales de apantallamiento electromagnético y absorción de ondas: El polvo de níquel ultrafino posee excelentes propiedades eléctricas y magnéticas. Los materiales de apantallamiento electromagnético se pueden preparar combinando polvo de níquel ultrafino con materiales de matriz polimérica. Los materiales compuestos multicomponente, como el cobre y el níquel, poseen buenas propiedades de absorción y apantallamiento de ondas en la región de alta frecuencia y pueden utilizarse como materiales de sigilo en dicha región. Basado en un recubrimiento conductor de polvo de níquel ultrafino, se utiliza ampliamente en tecnología de sigilo militar y equipos electrónicos civiles.
Aeroespacial y fabricación de alta gama
Aleaciones de alta temperatura: Como aditivos para mejorar la resistencia a altas temperaturas y a la corrosión de las aleaciones, adecuados para piezas de motores de aeronaves.
Carburo cementado: Sustituye al cobalto como metal de unión, utilizado en herramientas de corte y piezas resistentes al desgaste, lo que reduce costes y mejora el rendimiento.
Biomedicina y nuevos materiales
Portadores de fármacos, diagnóstico y tratamiento: Aprovecha su capacidad de respuesta magnética y biocompatibilidad para la administración dirigida de fármacos y la detección de marcadores magnéticos.
Impresión 3D y materiales compuestos: Como relleno para el moldeo por inyección de metal (MIM), mejora las propiedades mecánicas y la precisión de moldeo de piezas complejas.
La ventaja del polvo de níquel ultrafino es que sustituye a los metales preciosos más costosos, lo que reduce considerablemente los costes de producción. Sin embargo, estos campos de aplicación requieren que el nanopolvo de níquel presente una estructura esférica regular, un tamaño de partícula pequeño y uniforme, buena dispersabilidad, alta densidad de compactación, una alta capacidad antioxidante y otras propiedades, lo que también supone un reto para el proceso de preparación del nanopolvo de níquel.
Ventajas de los materiales de carbono en conductividad térmica y disipación de calor.
En las industrias actuales de la electrónica y la optoelectrónica, a medida que los dispositivos electrónicos y sus productos evolucionan hacia una alta integración y computación, la potencia disipada se ha duplicado. La disipación de calor se ha convertido gradualmente en un factor clave que limita el desarrollo sostenible de la industria electrónica. Encontrar materiales de gestión térmica con excelente conductividad térmica es crucial para la próxima generación de circuitos integrados y diseños de productos electrónicos tridimensionales.
La conductividad térmica de los materiales cerámicos tradicionales (como el nitruro de boro y el nitruro de aluminio) y de los materiales metálicos (como el cobre y el aluminio) es de tan solo unos cientos de W/(m·K) como máximo. En comparación, la conductividad térmica de los materiales de carbono, como el diamante, el grafito, el grafeno, los nanotubos de carbono y la fibra de carbono, es aún más sorprendente. Por ejemplo, el grafito tiene una conductividad térmica teórica de hasta 4180 W/m·K en la dirección paralela a la capa cristalina, casi diez veces mayor que la de los materiales metálicos tradicionales, como el cobre, la plata y el aluminio. Además, los materiales de carbono también poseen excelentes propiedades como baja densidad, bajo coeficiente de expansión térmica y buenas propiedades mecánicas a alta temperatura.
Grafeno
El grafeno es un material con una sola capa de átomos de carbono, extraído del grafito. Presenta una estructura plana bidimensional en forma de panal, compuesta por átomos de carbono de una sola capa, dispuestos de forma compacta en hexágonos regulares. Esta estructura es muy estable. La conexión entre los átomos de carbono dentro del grafeno es muy flexible. Cuando se aplica una fuerza externa al grafeno, la superficie de los átomos de carbono se dobla y deforma, de modo que los átomos de carbono no tienen que reorganizarse para adaptarse a la fuerza externa, manteniendo así la estabilidad estructural. Esta estructura reticular estable confiere al grafeno una excelente conductividad térmica.
Nanotubos de carbono
Desde su descubrimiento en 1991, los nanotubos de carbono han sido objeto de estudio, atrayendo a muchos científicos al estudio de su conductividad térmica. Los nanotubos de carbono están compuestos por láminas de grafito de una o varias capas enrolladas y se dividen en tres tipos: de pared simple, de doble pared y de múltiples paredes.
Su estructura especial confiere a los nanotubos de carbono una conductividad térmica extremadamente alta. Algunos investigadores han calculado que la conductividad térmica de los nanotubos de carbono de pared simple a temperatura ambiente es de 3980 W/(m·K), la de los de doble pared es de 3580 W/(m·K) y la de los de múltiples paredes es de 2860 W/(m·K).
Diamante
La estructura cristalina del diamante consiste en una disposición compacta de átomos de carbono en tetraedros, donde todos los electrones participan en el enlace. Por lo tanto, su conductividad térmica a temperatura ambiente alcanza los 2000-2100 W/(m·K), lo que lo convierte en uno de los materiales con mayor conductividad térmica de la naturaleza. Esta característica lo convierte en un material insustituible en el campo de la disipación de calor de alta gama. Fibra de carbono
La fibra de carbono se trata mediante carbonización a alta temperatura para formar una estructura de grafito turboestrático. Si su red axial de grafito está altamente orientada, puede alcanzar una conductividad térmica ultraalta. Por ejemplo, la conductividad térmica de la fibra de carbono mesofásica basada en brea es de 1100 W/(m·K), y la de la fibra de carbono cultivada en vapor puede alcanzar los 1950 W/(m·K).
Grafito
El grafito tiene una estructura cristalina hexagonal, compuesta por seis facetas y dos planos basales compactados. La primera capa de la red hexagonal de átomos de carbono está escalonada por la mitad de la línea diagonal hexagonal y se superpone en paralelo con la segunda capa. La tercera capa y la primera se repiten en su posición, formando una secuencia ABAB... La conductividad térmica del grafito natural a lo largo del plano cristalino (002) es de 2200 W/(m·K), y la conductividad térmica en el plano del grafito pirolítico altamente orientado también puede alcanzar los 2000 W/(m·K).
Todos los materiales de carbono mencionados presentan una conductividad térmica extremadamente alta, por lo que han atraído mucha atención en el campo de los altos requisitos de disipación térmica. A continuación, analizaremos varios materiales conductores/disipadores de calor clásicos basados en carbono.
Los materiales de carbono, con su estructura cristalina única y sus propiedades físicas y químicas, han demostrado ventajas irremplazables en el campo de la conductividad térmica y la disipación térmica. Con el avance de la tecnología de preparación y la expansión de los escenarios de aplicación, se espera que los materiales basados en carbono, como el grafeno y el diamante, impulsen las soluciones de disipación térmica en industrias como la electrónica y la aeroespacial.
Aplicación de la preparación de polvos basada en tecnología de plasma térmico en materiales de gestión térmica
La miniaturización e integración de dispositivos electrónicos plantea mayores requisitos de disipación de calor para los materiales de gestión térmica basados en polímeros. El desarrollo de nuevos rellenos de alta conductividad térmica para construir vías de conducción térmica eficaces es clave para lograr materiales de gestión térmica de alto rendimiento.
La tecnología de plasma térmico ofrece grandes ventajas en la preparación de polvos esféricos de tamaño nanométrico y micrométrico, como el polvo esférico de silicio y el polvo de alúmina, gracias a su alta temperatura, atmósfera de reacción controlable, alta densidad energética y baja contaminación.
Tecnología de plasma térmico
El plasma es el cuarto estado de la materia, después del sólido, el líquido y el gas. Es un agregado eléctricamente neutro compuesto por electrones, cationes y partículas neutras. Según la temperatura de las partículas pesadas en el plasma, este se puede dividir en dos categorías: plasma caliente y plasma frío.
La temperatura de los iones pesados en el plasma caliente puede alcanzar de 3×10⁻¹ a 3×10⁻¹ K, lo que básicamente alcanza el estado de equilibrio termodinámico local. En este estado, el plasma térmico presenta la siguiente relación: temperatura del electrón Te = temperatura del plasma Th = temperatura de excitación Tex = temperatura de reacción de ionización Treac, por lo que el plasma térmico presenta una temperatura termodinámica uniforme.
Preparación de polvos esféricos con plasma
Debido a las características de alta temperatura y rápida velocidad de enfriamiento del plasma térmico de alta frecuencia, se utiliza la tecnología de deposición física de vapor para preparar nanopolvos.
Existen dos métodos principales para preparar polvos esféricos con plasma.
Uno consiste en introducir polvos de materia prima de forma irregular y gran tamaño en el arco de alta temperatura del plasma térmico y utilizar el entorno de alta temperatura generado por el plasma térmico para calentar y fundir rápidamente las partículas de materia prima (o fundir la superficie). Debido a la tensión superficial, el polvo fundido forma una esfera y se solidifica a una velocidad de enfriamiento adecuada para obtener un polvo esférico. El segundo método consiste en utilizar polvos irregulares o precursores como materia prima y plasma térmico como fuente de calor de alta temperatura. Las materias primas reaccionan con las partículas activas que contienen y se enfrían y depositan rápidamente para generar polvos ideales.
Gracias a las características de alta temperatura, alta energía, atmósfera controlable y ausencia de contaminación del plasma térmico, se pueden preparar polvos esféricos de alta pureza, alta esfericidad y diferentes tamaños controlando parámetros como la alimentación, la velocidad de enfriamiento y la potencia del plasma durante el proceso de preparación. Por lo tanto, el uso de la tecnología de plasma para preparar polvos esféricos se ha extendido cada vez más en los sectores energético, aeroespacial, químico y otros.
Principales áreas de aplicación y características del micropolvo de silicio
El polvo de sílice es un material inorgánico no metálico cuyo componente principal es el dióxido de silicio. Está hecho de cuarzo cristalino, cuarzo fundido, etc., como materia prima, y se procesa mediante molienda, clasificación de precisión, eliminación de impurezas y otros procesos. Posee excelentes propiedades dieléctricas, bajo coeficiente de expansión térmica y alta conductividad térmica. Se utiliza ampliamente en laminados revestidos de cobre, compuestos de moldeo epóxicos, materiales aislantes, adhesivos, recubrimientos, cerámica y otros campos.
1. Laminado revestido de cobre
El laminado revestido de cobre es un sustrato importante para la fabricación de placas de circuito impreso con una estructura de lámina de cobre + capa de aislamiento dieléctrico (resina y material de refuerzo) + lámina de cobre. Es un material básico para diversos sistemas de circuitos.
Las opciones de relleno para laminados revestidos de cobre incluyen micropolvo de silicio, hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, talco en polvo, mica en polvo y otros materiales. Entre ellos, el micropolvo de silicio presenta ventajas relativas en cuanto a resistencia térmica, propiedades mecánicas, propiedades eléctricas y dispersabilidad en sistemas de resina. Se puede utilizar para mejorar la resistencia térmica y la resistencia a la humedad, aumentar la rigidez de laminados delgados revestidos de cobre, reducir el coeficiente de expansión térmica, mejorar la estabilidad dimensional, optimizar la precisión de posicionamiento de la perforación y la suavidad de la pared interna, mejorar la adhesión entre capas o entre capas aislantes y láminas de cobre, etc., por lo que es ideal para rellenos de laminados revestidos de cobre.
El micropolvo de silicio esférico ofrece el mejor rendimiento, pero su coste es elevado, y solo se utiliza en el campo de laminados revestidos de cobre de alta gama. En cuanto a conductividad térmica, relleno, expansión térmica y propiedades dieléctricas, el micropolvo de silicio esférico ofrece un mejor rendimiento, pero el micropolvo de silicio angular es inferior en precio. Por lo tanto, considerando su rendimiento y costo integrales, el micropolvo de silicio esférico se utiliza actualmente principalmente en el campo de los laminados revestidos de cobre de alta gama, como los de alta frecuencia y alta velocidad, portadores de circuitos integrados, etc., y cuanto mayor sea el escenario de aplicación, mayor será la proporción de adición.
2. Compuesto de moldeo epóxico
El compuesto de moldeo epóxico es un compuesto de moldeo en polvo compuesto por resina epóxica como resina base, resina fenólica de alto rendimiento como agente de curado, polvo de silicio como relleno y diversos aditivos. Es un material esencial para el encapsulado de semiconductores, como los circuitos integrados (más del 97% de los encapsulados de semiconductores utilizan compuesto de moldeo epóxico).
3. Material de aislamiento eléctrico
El polvo de silicio utilizado en productos de aislamiento eléctrico puede reducir eficazmente el coeficiente de expansión lineal del producto curado y la tasa de contracción durante el proceso de curado, reducir la tensión interna y mejorar la resistencia mecánica del material aislante, mejorando así sus propiedades mecánicas y eléctricas. Por lo tanto, los requisitos funcionales de los clientes en este campo para el micropolvo de silicio se reflejan principalmente en un bajo coeficiente de expansión lineal, un alto aislamiento y una alta resistencia mecánica, mientras que los requisitos en cuanto a sus propiedades dieléctricas y conductividad térmica son relativamente bajos.
En el campo de los materiales de aislamiento eléctrico, los productos de micropolvo de silicio de especificación única con un tamaño promedio de partícula de 5-25 µm se suelen seleccionar según las características de los productos de aislamiento eléctrico y los requisitos de su proceso de producción. Se imponen altos requisitos en cuanto a la blancura del producto, la distribución del tamaño de partícula, etc.
4. Adhesivos
El micropolvo de silicio enriquecido con resina adhesiva puede reducir eficazmente el coeficiente de expansión lineal del producto curado y la tasa de contracción durante el curado, mejorar la resistencia mecánica del adhesivo, la resistencia térmica, la antipermeabilidad y la disipación térmica, mejorando así la adhesión y el sellado.
La distribución del tamaño de partícula del micropolvo de silicio afectará la viscosidad y la sedimentación del adhesivo, lo que afectará a su procesabilidad y al coeficiente de expansión lineal después del curado.
5. Cerámica de nido de abeja
Los soportes cerámicos de nido de abeja para la purificación de gases de escape de automóviles y los filtros de escape de automóviles de cordierita (DPF) para la purificación de gases de escape de motores diésel están fabricados con alúmina, micropolvo de silicio y otros materiales mediante procesos de mezcla, moldeo por extrusión, secado, sinterización y otros. El micropolvo de silicio esférico puede mejorar la velocidad de moldeo y la estabilidad de los productos cerámicos de nido de abeja.
Modificación del recubrimiento de dióxido de titanio
La modificación del recubrimiento de dióxido de titanio (dióxido de titanio) es un método importante para mejorar su rendimiento (como dispersabilidad, resistencia a la intemperie, brillo, estabilidad química, etc.). Los métodos comunes de modificación de recubrimientos incluyen principalmente tres categorías: recubrimiento inorgánico, recubrimiento orgánico y recubrimiento compuesto. A continuación, se presenta una clasificación específica y una breve introducción:
Modificación del recubrimiento inorgánico
Al recubrir la superficie de las partículas de dióxido de titanio con una capa de óxidos o sales inorgánicas, se forma una barrera física que mejora su estabilidad química y propiedades ópticas.
1. Recubrimiento de óxido
Principio: Se utiliza el hidrato de óxidos metálicos (como SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, etc.) para precipitar sobre la superficie del dióxido de titanio y formar una capa de recubrimiento uniforme.
Proceso: Generalmente, mediante el método de deposición en fase líquida, se añaden sales metálicas (como silicato de sodio y sulfato de aluminio) a la suspensión de dióxido de titanio y se ajusta el pH para precipitar y recubrir el hidrato de óxido metálico.
2. Recubrimiento de óxido compuesto
Principio: Recubrimiento de dos o más óxidos metálicos (como Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂, etc.), combinando las ventajas de cada componente.
Características: Mejor rendimiento general; por ejemplo, el recubrimiento de Al₂O₃-SiO₂ puede mejorar simultáneamente la dispersabilidad y la resistencia a la intemperie, siendo adecuado para pinturas automotrices y recubrimientos de bobinas de alta demanda.
3. Recubrimiento de sal
Principio: Utiliza sales metálicas (como fosfatos, silicatos, sulfatos, etc.) para formar una capa de sal poco soluble sobre la superficie del dióxido de titanio.
Modificación del recubrimiento orgánico
Mediante la reacción de compuestos orgánicos con los grupos hidroxilo de la superficie del dióxido de titanio, se forma una capa molecular orgánica que mejora su compatibilidad con los medios orgánicos.
1. Recubrimiento con agente de acoplamiento
Principio: Utilizando la estructura anfifílica de las moléculas de agentes de acoplamiento (como silanos, titanatos y aluminatos), un extremo se combina con el grupo hidroxilo de la superficie del dióxido de titanio y el otro extremo reacciona con la matriz orgánica (como resina o polímero).
Agente de acoplamiento de silano: Mejora la dispersabilidad del dióxido de titanio en sistemas a base de agua, comúnmente utilizado en recubrimientos y tintas a base de agua.
Agente de acoplamiento de titanato/aluminato: Mejora la compatibilidad en sistemas oleosos como plásticos y cauchos, y reduce la aglomeración durante el procesamiento.
2. Recubrimiento con tensioactivos
Principio: Los tensioactivos (como ácidos grasos, sulfonatos, sales de amonio cuaternario, etc.) se adhieren a la superficie del dióxido de titanio mediante adsorción física o reacción química para formar una capa de carga o capa hidrófoba.
Función:
Tensioactivos aniónicos (como el ácido esteárico): Mejoran la dispersabilidad en medios oleosos, comúnmente utilizados en plásticos y caucho.
Tensioactivos catiónicos (como el cloruro de dodeciltrimetilamonio): Adecuados para sistemas polares para mejorar la estabilidad.
3. Recubrimiento polimérico
Principio: Injertan polímeros (como acrilatos, resinas epoxi, siloxanos, etc.) en la superficie del dióxido de titanio mediante reacciones de polimerización.
Función:
Forman una capa de recubrimiento gruesa para aislar aún más la erosión química y mejorar la resistencia a la intemperie y las propiedades mecánicas.
Mejoran la compatibilidad con resinas específicas, adecuado para materiales compuestos y recubrimientos de alto rendimiento.
4. Recubrimiento de silicona
Principio: Aprovechan las características de baja energía superficial del polisiloxano (aceite de silicona, resina de silicona, etc.) para recubrir partículas de dióxido de titanio.
Función: Reducen la tensión superficial, mejoran la dispersabilidad y la suavidad, comúnmente utilizado en tintas y cosméticos.
III. Modificación del recubrimiento compuesto
Combinando las ventajas de los recubrimientos inorgánicos y orgánicos, el doble recubrimiento se realiza por etapas o simultáneamente para lograr un rendimiento complementario.
1. Recubrimiento inorgánico primero y luego orgánico
2. Recubrimiento sincronizado inorgánico-orgánico
Otras tecnologías de recubrimiento especiales
1. Nanorecubrimiento
2. Recubrimiento de microcápsulas
Principio: Encapsular partículas de dióxido de titanio en microcápsulas de polímero y liberar el dióxido de titanio controlando las condiciones de ruptura de la cápsula (como la temperatura y el pH). Ideal para recubrimientos inteligentes y sistemas de liberación lenta.
Materiales de aleación de magnesio en la economía de baja altitud
Como material ligero, la aleación de magnesio se ha convertido en la opción ideal para aeronaves económicas de baja altitud gracias a su baja densidad, alta resistencia, capacidad de absorción de impactos y blindaje contra ondas electromagnéticas. En comparación con los materiales tradicionales, la aleación de magnesio es más ligera, puede prolongar significativamente la autonomía de vuelo y mejorar la eficiencia energética. Además, su capacidad de absorción de impactos y blindaje electromagnético también puede mejorar la seguridad operativa y la compatibilidad electromagnética de las aeronaves en entornos complejos.
Aeronaves eléctricas de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL)
Marco de fusibles: La densidad de la aleación de magnesio es solo 2/3 de la de la aleación de aluminio y 1/4 de la del acero. Su uso en el marco del fuselaje puede reducir significativamente el peso de la aeronave, mejorar la capacidad de carga y la autonomía. Por ejemplo, el eVTOL de carga de 2 toneladas de Fengfei Aviation utiliza aleación de magnesio para fabricar algunos componentes del marco del fuselaje, lo que logra un peso ligero eficaz a la vez que garantiza la resistencia estructural.
Estructura del ala: La aleación de magnesio posee una alta resistencia específica y puede mantener la estabilidad estructural del ala bajo grandes cargas aerodinámicas, a la vez que reduce su peso, lo que contribuye a mejorar el rendimiento de vuelo de la aeronave.
Carcasa del motor: La aleación de magnesio posee buena conductividad térmica y propiedades de apantallamiento electromagnético, lo que permite disipar eficazmente el calor generado por el funcionamiento del generador, proteger el circuito interno del motor de interferencias electromagnéticas, prolongar su vida útil y mejorar su eficiencia operativa. Por ejemplo, la carcasa del motor del coche volador eléctrico inteligente Traveler X2 de Xiaopeng Huitian está fabricada con aleación de magnesio.
Compartimento de la batería: La aleación de magnesio se puede utilizar para fabricar compartimentos de batería. Su baja densidad ayuda a reducir el peso total de la aeronave y su apantallamiento electromagnético evita que la batería sufra interferencias electromagnéticas externas, garantizando así la seguridad y la estabilidad de su funcionamiento.
Soporte del panel de instrumentos: El soporte del panel de instrumentos, fabricado en aleación de magnesio, ofrece buena rigidez y estabilidad, y puede soportar diversos dispositivos y pantallas del panel de instrumentos eVTOL. Al mismo tiempo, su ligereza también ayuda a reducir el peso total de la aeronave.
UAV
Fuselaje: La aleación de magnesio tiene una baja densidad, lo que reduce significativamente el peso del dron, aumenta su resistencia y capacidad de carga, y su alta resistencia específica garantiza que el fuselaje soporte diversas tensiones durante el vuelo. Por ejemplo, el dron multirrotor "Hybrid Flyer" con un armazón de aleación de magnesio es aproximadamente un 30 % más ligero que el armazón de material tradicional, lo que también prolonga su vida útil.
Alas y colas: Se pueden utilizar para fabricar la estructura de soporte interna o el revestimiento general de las alas y colas, garantizando al mismo tiempo la resistencia estructural y el rendimiento aerodinámico, reduciendo la resistencia al vuelo y el consumo de energía de los drones, y mejorando la eficiencia y flexibilidad del vuelo.
Soporte de la placa de circuito de control: Proporciona un soporte estable para la placa de circuito de control. Su ligereza ayuda a bajar el centro de gravedad del dron y mejora la estabilidad de vuelo. Asimismo, el blindaje electromagnético reduce la interferencia electromagnética entre las placas de circuito y garantiza la transmisión precisa de las señales de control.
Carcasa de sensor: Se utiliza para encapsular diversos sensores, como cámaras, módulos GPS, etc., protegiéndolos, reduciendo el peso de la carga útil de los drones, permitiéndoles transportar más equipos o prolongar su tiempo de vuelo. La resistencia a la corrosión de las aleaciones de magnesio se adapta a los requisitos de funcionamiento de los sensores en diferentes entornos.
Hélices: Las aleaciones de magnesio se pueden utilizar para fabricar hélices. Su baja densidad y alta resistencia específica ayudan a mejorar la eficiencia de rotación de la hélice, reducir el consumo de energía, el peso y, por lo tanto, mejorar el rendimiento general de los drones.
Su ligereza, bajo costo y alta reserva de magnesio lo hacen más ventajoso que los materiales tradicionales, y se espera que resuelva el problema del alto costo de las materias primas y la baja eficiencia operativa en la construcción económica a baja altitud. Con el continuo avance de la tecnología de producción de aleaciones de magnesio, la producción a gran escala reducirá aún más los costos, promoviendo así su aplicación a gran escala en el campo de baja altitud.
Propiedades del material compuesto de fibra de vidrio
La fibra de vidrio es un material compuesto por numerosas fibras de vidrio extremadamente finas. Se fabrica forzando el vidrio fundido a través de un tamiz, que lo hila en hilos que luego se combinan para formar fibras de vidrio.
Los compuestos de fibra de vidrio son un material plástico reforzado compuesto por fibras de vidrio incrustadas en una matriz de resina. Los compuestos de fibra de vidrio tienen una excelente resistencia específica, son ligeros, pero tienen propiedades mecánicas similares a las del metal; son inoxidables y pueden soportar entornos ácidos, alcalinos, húmedos y con niebla salina durante mucho tiempo, y tienen una vida útil más larga que los materiales metálicos tradicionales. Su rendimiento se puede optimizar ajustando la disposición de las fibras y el tipo de resina, y se pueden procesar en formas complejas. Son no conductores y transparentes a las ondas electromagnéticas, y son adecuados para componentes funcionales especiales como equipos eléctricos y radomos. En comparación con materiales compuestos de alta gama como la fibra de carbono, la fibra de vidrio es más económica y constituye una opción económica de alto rendimiento.
Materiales compuestos de fibra de vidrio utilizados en la economía de baja altitud
Ampliamente utilizados en drones
Fuselaje y componentes estructurales: El plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV) se utiliza ampliamente en componentes estructurales clave como el fuselaje, las alas y la cola de los drones, gracias a su ligereza y alta resistencia.
Materiales de las palas: En la fabricación de hélices para drones, la fibra de vidrio se utiliza en combinación con materiales como el nailon para aumentar la rigidez y la durabilidad.
Materiales importantes para aeronaves eléctricas de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL)
Bisagra y alas: Las aeronaves eVTOL tienen requisitos extremadamente altos de ligereza, por lo que los materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio se utilizan a menudo en combinación con fibra de carbono para optimizar la estructura del fuselaje y reducir costos.
Componentes funcionales: La fibra de vidrio también se utiliza en dispositivos de aviónica eVTOL (como amplificadores de potencia de RF), y su resistencia a altas temperaturas y propiedades de aislamiento la convierten en una opción ideal.
Como material básico estratégico en la economía de baja altitud, la fibra de vidrio tiene amplias posibilidades de aplicación en drones, eVTOL y otros campos. Con el apoyo de políticas y el progreso tecnológico, su demanda de mercado seguirá creciendo y se convertirá en una fuerza importante en la promoción del desarrollo de la economía de baja altitud.
El oro olvidado: polvo de pulido de tierras raras
El polvo de pulido a base de cerio y tierras raras es el más común en la actualidad. Ofrece un excelente rendimiento de pulido y puede mejorar el acabado superficial de productos o piezas. Se le conoce como el "rey de los polvos de pulido". La industria de procesamiento de vidrio y la industria electrónica son las principales aplicaciones posteriores del polvo de pulido de tierras raras. Los residuos de polvo de pulido de tierras raras que fallan después del pulido representan aproximadamente el 70% de la producción anual. Los componentes residuales provienen principalmente de residuos de polvo de pulido de tierras raras, líquidos residuales, fragmentos de vidrio de las piezas de pulido, película de pulido (polímero orgánico) del paño de pulido, aceite y otras impurezas, con una proporción de componentes de tierras raras del 50%. La eliminación del polvo de pulido de tierras raras defectuoso se ha convertido en un problema importante para las empresas de aplicaciones posteriores.
Actualmente, los métodos más utilizados para reciclar los residuos de polvo de pulido de tierras raras son la separación física y la separación química.
Método de separación física
(1) Método de flotación
En los últimos años, la tecnología de flotación se ha utilizado ampliamente en el tratamiento de residuos sólidos. Debido a la diferencia en la hidrofilicidad de los componentes del polvo de pulido de tierras raras residual, se seleccionan diferentes agentes de flotación para mejorar la afinidad de los componentes en solución acuosa, dejando las partículas hidrófilas en el agua y logrando así el objetivo de separación. Sin embargo, el tamaño de las partículas del polvo de pulido afecta la tasa de recuperación por flotación, y la pureza de recuperación es insuficiente.
Durante la flotación, se seleccionan diferentes colectores, y el efecto de eliminación de impurezas varía considerablemente. Yang Zhiren et al. descubrieron que cuando el pH del ácido estirenofosfónico es de 5, la tasa de recuperación de óxido de cerio y óxido de lantano después de la flotación alcanza el 95%, mientras que la tasa de recuperación de fluoruro de calcio y fluoroapatita es de tan solo el 20% como máximo. Las partículas con un diámetro inferior a 5 micras deben separarse aún más para eliminar las impurezas debido a su bajo efecto de flotación.
(2) Método de separación magnética
El polvo de pulido de tierras raras residual presenta magnetismo. Basándose en esto, Mishima et al. Diseñaron un dispositivo con un campo magnético vertical para recuperar lodos de pulido de tierras raras. Con un caudal de 20 mm/s, un tiempo de circulación de 30 min, una concentración del 5 % y un pH de 3, la eficiencia de separación del dióxido de cerio y el floculante de hierro puede alcanzar el 80 %. Si se cambia la dirección del campo magnético a un gradiente horizontal y se añade una solución de MnCl₂, se pueden separar del dióxido de cerio el dióxido de silicio y el óxido de aluminio, con propiedades magnéticas opuestas.
(3) Otros métodos
Takahashi et al. congelaron a -10 °C los lodos de polvo residual, cuyas partículas no sedimentaban fácilmente, y luego los descongelaron a 25 °C. Las impurezas y los óxidos de tierras raras formaron una capa que facilitó la agregación y la recuperación de sustancias útiles en los residuos.
Método de separación química
El método químico adopta principalmente el proceso de recuperación tras la disolución ácida y la tostación alcalina, y utiliza un agente reductor como reactivo auxiliar para obtener materias primas de polvo de pulido de tierras raras mediante la eliminación de impurezas, la extracción y la precipitación. Este método ofrece una alta tasa de recuperación de tierras raras, pero el proceso es largo y costoso. El exceso de ácido o álcali fuerte produce una gran cantidad de aguas residuales. (1) Tratamiento alcalino
El óxido de aluminio y el dióxido de silicio son las principales impurezas de los residuos de polvo de pulido de tierras raras. Utilice una solución de NaOH de 4 mol/L para reaccionar con los residuos de polvo de pulido de tierras raras durante 1 hora a 60 °C para eliminar las impurezas de dióxido de silicio y óxido de aluminio de los residuos de polvo de pulido de tierras raras.
(2) Tratamiento ácido
Para recuperar elementos de tierras raras de los residuos de polvo de pulido, se suelen utilizar ácidos nítrico, sulfúrico y clorhídrico para la lixiviación. El dióxido de cerio, el principal componente de los residuos de polvo de pulido de tierras raras, es ligeramente soluble en ácido sulfúrico.
(3) Lixiviación ácida asistida por agente reductor
Si el CeO₂ se lixivia directamente con ácido, el efecto no es óptimo. Si se añade un agente reductor para reducir el Ce₄ a Ce₃, se puede mejorar la velocidad de lixiviación de tierras raras. El uso del agente reductor H₂O₂ para asistir la lixiviación con ácido clorhídrico de los residuos de polvo de pulido de tierras raras puede mejorar significativamente los resultados experimentales.