هیدروکسید آلومینیوم: چرا نمیتوان آن را مستقیماً استفاده کرد؟
هیدروکسیدهای آمفوتریک معدنی - هیدروکسید آلومینیوم (Al(OH)3، ATH) - دارای خواص ضد شعله، ضد دود و پرکننده بسیار کارآمدی هستند. پس از تجزیه حرارتی، گازهای سمی یا خورنده تولید نمیکند و میتواند به عنوان پرکننده ضد شعله در مواد آلی پلیمری مورد استفاده قرار گیرد. در حال حاضر، استفاده از ATH به عنوان یک ضد شعله سال به سال در حال افزایش است و ATH به مهمترین ضد شعله معدنی در سطح جهان تبدیل شده است.
اول اصلاح، سپس ضد شعله
به طور کلی، تولیدکنندگان معمولاً مواد قابل اشتعال را با پودر هیدروکسید آلومینیوم (ATH) پر میکنند یا سطح مواد قابل اشتعال را با یک پوشش ضد شعله حاوی ATH میپوشانند تا خواص ضد شعله مواد آلی پلیمری را بهبود بخشند.
علاوه بر این، از آنجا که ATH حاوی سه گروه هیدروکسیل (-OH) است، سطح آن نامتقارن و بسیار قطبی است. گروههای هیدروکسیل سطحی خواص آبدوستی و روغنگریزی از خود نشان میدهند و در صورت افزودن به مواد آلی پلیمری، مستعد تجمع میشوند و مستقیماً بر خواص مکانیکی ماده تأثیر میگذارند.
بنابراین، هیدروکسید آلومینیوم قبل از استفاده نیاز به اصلاح سطح دارد.
اصلاح سطح هیدروکسید آلومینیوم
اصلاح سطح یکی از فناوریهای کلیدی برای بهینهسازی خواص مواد پودری معدنی است که نقش مهمی در بهبود عملکرد کاربردی و ارزش پودرهای معدنی ایفا میکند. اصلاح سطح ذرات معدنی به جذب یا کپسوله کردن یک یا چند ماده روی سطح ذرات معدنی اشاره دارد که یک ساختار کامپوزیتی هسته-پوسته تشکیل میدهد. این فرآیند اساساً یک فرآیند ترکیبی از مواد مختلف است.
انواع و ویژگیهای اصلاحکنندهها
انواع زیادی از اصلاحکنندههای سطح پودر وجود دارد، اما هیچ روش طبقهبندی استانداردی وجود ندارد. اصلاحکنندهها برای اصلاح پودر معدنی عمدتاً به دو دسته تقسیم میشوند: سورفکتانتها و عوامل اتصال.
(1) عوامل اتصال
عوامل اتصال برای سیستمهای مختلف مواد کامپوزیتی از پلیمرهای آلی و پرکنندههای معدنی مناسب هستند. پس از اصلاح سطح با عوامل اتصال، سازگاری و پراکندگی مواد معدنی با پلیمر افزایش مییابد. سطح ماده معدنی از آبدوست و روغنگریز به روغندوست و آبگریز تغییر میکند و میل ترکیبی آن با پلیمر آلی افزایش مییابد.
عوامل اتصالدهنده متنوع هستند و میتوانند بر اساس ساختار و ترکیب شیمیایی خود به چهار دسته اصلی طبقهبندی شوند: کمپلکسهای آلی، سیلانها، تیتاناتها و آلومیناتها.
(2) سورفکتانتها
سورفکتانتها موادی هستند که میتوانند در صورت استفاده در مقادیر بسیار کم، خواص سطحی یا بین سطحی یک ماده را به طور قابل توجهی تغییر دهند. آنها شامل سورفکتانتهای آنیونی، کاتیونی و غیریونی مانند اسیدهای چرب بالاتر و نمکهای آنها، الکلها، آمینها و استرها هستند. ساختار مولکولی آنها با یک گروه آلکیل زنجیره بلند در یک انتها، مشابه مولکولهای پلیمری، و گروههای قطبی مانند گروههای کربوکسیل، اتر و آمینو در انتهای دیگر مشخص میشود.
چگونه میتوان اثر اصلاح را تعیین کرد؟
آیا هیدروکسید آلومینیوم اصلاحشده قابل اعتماد است؟ چقدر قابل اعتماد است؟ این امر مستلزم ارزیابی و توصیف اثر اصلاح است.
در حال حاضر، اثر ضد شعله بودن بازدارندههای شعله هیدروکسید آلومینیوم را میتوان از طریق روشهای مستقیم مانند آزمایش شاخص اکسیژن ماده، شاخص اشتعالپذیری عمودی و افقی، تولید دود، آنالیز ترموگراویمتری و خواص مکانیکی در حین احتراق ارزیابی کرد؛ یا به طور غیرمستقیم با اندازهگیری جذب پودر، شاخص فعالسازی و مقدار جذب روغن برای آزمایش غیرمستقیم اثر اصلاح آن.
(1) جذب
ATH اصلاح نشده دارای گروههای هیدروکسیل آبدوست و روغنگریز روی سطح خود است که به آن اجازه میدهد در آب حل شود یا آزادانه در کف تهنشین شود. پس از اصلاح، سطح ATH آبدوست و روغنگریز میشود و خواص سطحی آن کاملاً برعکس فرم اصلاح نشده است. نمیتواند در کف حل شود یا تهنشین شود و فقط میتواند روی سطح شناور شود. با این حال، ATH اصلاح شده میتواند به خوبی در روغنها (مانند پارافین مایع) حل یا رسوب کند.
(2) شاخص فعالسازی
ATH اصلاح نشده به دلیل ماهیت گروههای هیدروکسیل سطحی (-OH) خود، قطبیت بسیار قوی دارد و به آن اجازه میدهد آزادانه در آب با خواص مشابه حل یا تهنشین شود. پس از اصلاح، ATH لایهای از گروههای لیپوفیلیک متصل به سطح خود دارد که گروههای هیدروکسیل سطحی (-OH) در داخل آن محصور شدهاند. هرچه اثر اصلاح بهتر باشد، میزان پوشش گروههای لیپوفیلیک سطح ATH بیشتر میشود و ATH اصلاحشده بیشتر روی سطح آب شناور میشود.
(3) مقدار جذب روغن
اندازهگیری مقدار جذب روغن نیاز به افزودن روغن کرچک به ATH و هم زدن دارد. قبل از اصلاح، ATH به دلیل خواص آبدوستی و روغنگریزی خود، برای تشکیل کره به روغن کرچک بیشتری نیاز دارد. پس از اصلاح سطح، آبدوست و روغنگریز میشود و پراکندگی ATH را در پلیمر بهبود میبخشد و حفرههای تشکیل شده توسط تجمع پودر را کاهش میدهد.
آشنایی با مواد فوق قوی—NdFeB
NdFeB سینتر شده، به عنوان اولین فرآیند آمادهسازی و پرکاربردترین آن در سطح جهانی، باعث توسعه سریع مواد آهنربای دائمی خاکی کمیاب شده است. NdFeB سینتر شده، با ناهمسانگردی مغناطیسی قوی و مواد اولیه کم هزینه، به یک هدف تحقیقاتی برای بسیاری از کشورها تبدیل شده است. مواد آهنربای دائمی NdFeB سینتر شده از متالورژی پودر استفاده میکنند. آلیاژ ذوب شده به صورت پودر ساخته شده و در یک میدان مغناطیسی به صورت فشرده فشرده میشود. سپس این فشرده در یک گاز بیاثر یا خلاء برای دستیابی به تراکم، پخته میشود. علاوه بر این، برای بهبود وادارندگی آهنربا، معمولاً عملیات حرارتی پیرسازی مورد نیاز است. جریان فرآیند به شرح زیر است: آمادهسازی مواد اولیه → ذوب → آمادهسازی پودر → پرس → پخت و تمپر → آزمایش مغناطیسی → سنگزنی → ماشینکاری → آبکاری → محصول نهایی.
برخلاف NdFeB سینتر شده، ذرات پودر آهنرباهای پیوندی باید از وادارندگی به اندازه کافی بالایی برخوردار باشند. هنگامی که ساختار چند فازی و ریزساختار مورد نیاز برای وادارندگی بالا در طول فرآیند آمادهسازی پودر به شدت آسیب ببینند، تولید آهنرباهای پیوندی خوب غیرممکن خواهد بود. بنابراین، با استفاده از روش پودر مغناطیسی کوئنچ سریع با چرخش مذاب، آلیاژ مذاب داغ ابتدا روی یک چرخ مسی با سرعت بالا که با آب خنک میشود ریخته یا اسپری میشود تا یک نوار نازک با ضخامت ۱۰۰ میکرومتر تشکیل شود.
ساخت آهنرباهای پرس گرم/تغییر شکل گرم نیاز به شروع با پودر مغناطیسی Nd-Fe-B با کوئنچ سریع دارد، نه استفاده مستقیم از آلیاژهای ریختهگری. با استفاده از شرایط بیش از حد کوئنچ (خنک شدن سریع)، دانههای ریزتر یا حتی پودر مغناطیسی آمورف تهیه میشوند. در طول پرس گرم و تغییر شکل گرم، دانهها گرم شده و تا اندازه نزدیک به تک دامنه رشد میکنند و در نتیجه به وادارندگی بالا در آهنربای نهایی دست مییابند. فرآیند پرس گرم شامل قرار دادن پودر مغناطیسی در قالب و اعمال فشار در دمای بالا برای تبدیل آن به یک آهنربای جامد ایزوتروپیک است.
کاربرد
موتورهای آهنربای دائمی
در موتورهای آهنربای دائمی، استفاده از آهنرباهای دائمی برای تحریک نه تنها مصرف برق را کاهش داده و در مصرف انرژی صرفهجویی میکند، بلکه عملکرد موتور را نیز بهبود میبخشد.
ماشینآلات مغناطیسی
ماشینآلات مغناطیسی با استفاده از نیروی دافعه قطبهای همنام یا نیروی جاذبه قطبهای ناهمنام در آهنرباها کار میکنند. این امر مستلزم آهنرباهای دائمی با پسماند بالا و وادارندگی ذاتی بالا است. علاوه بر این، به دلیل اصل جاذبه بین قطبهای ناهمنام، میتوان درایوهای مغناطیسی را با استفاده از انتقال غیرتماسی ساخت که مزایایی مانند عدم اصطکاک و سر و صدا را ارائه میدهد. بنابراین، آهنرباهای Nd-Fe-B با کارایی بالا به طور گسترده در اجزای درایو ماشینآلات معدن، یاتاقانهای مغناطیسی در ژیروسکوپها و توربینها در ماهوارهها و فضاپیماها و یاتاقانهای روتور در پمپهای گریز از مرکز برای کمک به عملکرد قلب در تجهیزات پزشکی استفاده میشوند.
هوافضا
مواد آهنربای دائمی عناصر کمیاب برای پرتاب موشک، موقعیتیابی ماهواره و فناوریهای ارتباطی ضروری هستند. Nd-Fe-B متخلخل با عملکرد بالا به ویژه در سیستمهای ارسال/دریافت مایکروویو برای رادار مفید است. با استفاده از اثر ترکیبی یک میدان مغناطیسی ثابت و یک میدان مغناطیسی مایکروویو متناوب، رزونانس فرومغناطیسی رخ میدهد و امکان ساخت گردشدهندههای مایکروویو، ایزولاتورها و غیره را فراهم میکند. لوازم الکترونیکی مصرفی
لوازم الکترونیکی مصرفی 3C همیشه یک صنعت پاییندستی مهم برای NdFeB متخلخل بوده است. NdFeB متخلخل دارای ویژگیهایی مانند محصول با انرژی مغناطیسی بالا است که با روند کوچکسازی، سبکسازی و نازک شدن در محصولات الکترونیکی مصرفی 3C همسو است. این ماده به طور گسترده در قطعات الکترونیکی مانند VCMها، موتورهای خطی تلفن همراه، دوربینها، هدفونها، بلندگوها و موتورهای محرک اسپیندل استفاده میشود.
بازیافت ضایعات آهن نئودیمیوم بور: گنجینهای فراموشنشدنی
آهنرباهای دائمی نئودیمیوم آهن بور (NdFeB) به دلیل خواص مغناطیسی عالی خود به طور گسترده در تولید انرژی بادی، وسایل نقلیه انرژی جدید و محصولات الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرند و عنوان "پادشاه آهنرباها" را به خود اختصاص دادهاند. با این حال، میزان ضایعات در فرآیند تولید آهنربای NdFeB به 30٪ میرسد و همراه با طول عمر محدود آنها، این امر منجر به مقدار زیادی زباله NdFeB میشود.
این زبالهها حاوی تا 30٪ عناصر خاکی کمیاب هستند که بسیار بیشتر از محتوای سنگ معدنهای خاکی کمیاب اولیه است و آنها را به یک منبع ثانویه بسیار ارزشمند تبدیل میکند. بازیابی کارآمد عناصر خاکی کمیاب از زبالههای NdFeB برای تضمین امنیت منابع خاکی کمیاب، کاهش آلودگی محیط زیست و ترویج توسعه پایدار بسیار مهم است.
ویژگیها و منابع زبالههای NdFeB
زبالههای NdFeB عمدتاً از ضایعات، محصولات معیوب و محصولات الکترونیکی از رده خارج شده حاوی آهنربا در طول فرآیند تولید آهنربا سرچشمه میگیرند. ترکیب شیمیایی آن پیچیده است. علاوه بر عناصر خاکی کمیاب اصلی Nd و Pr، عناصری مانند Dy و Tb اغلب برای بهبود وادارندگی اضافه میشوند و عناصری مانند Co، Al و Cu برای بهبود عملکرد کلی اضافه میشوند. بر اساس محتوای عناصر خاکی کمیاب (REE)، ضایعات NdFeB را میتوان به سه دسته طبقهبندی کرد: عناصر خاکی کمیاب کم (REEها < 20%)، عناصر خاکی کمیاب متوسط (20%-30%) و عناصر خاکی کمیاب زیاد (> 30%).
در حال حاضر، فرآیندهای بازیافت ضایعات NdFeB عمدتاً به فناوریهای پیرومتالورژی، هیدرومتالورژی و بازیافت نوین تقسیم میشوند.
(I) فرآیندهای بازیافت پیرومتالورژی
بازیافت پیرومتالورژی، عناصر خاکی کمیاب را از طریق واکنشهای دمای بالا از آهن جدا میکند. روشهای اصلی شامل اکسیداسیون انتخابی، جداسازی کلرزنی، آلیاژسازی مایع و جداسازی همجوشی سرباره-فلز است.
اکسیداسیون انتخابی بر این واقعیت استوار است که عناصر خاکی کمیاب میل ترکیبی بسیار بیشتری با اکسیژن نسبت به آهن دارند. در دماهای بالا، عناصر خاکی کمیاب به صورت انتخابی اکسید میشوند تا اکسید تشکیل دهند که سپس از آهن فلزی جدا میشوند. ناکاموتو و همکارانش با کنترل دقیق فشار جزئی اکسیژن، اکسیدهای خاکی کمیاب مخلوط را با خلوص بیش از 95٪ و نرخ بازیابی بیش از 99٪ با موفقیت تهیه کردند.
جداسازی کلرزنی از میل ترکیبی قوی بین عناصر خاکی کمیاب و کلر استفاده میکند. عوامل کلرزنی مانند NH4Cl، FeCl2 یا MgCl2 برای تبدیل عناصر خاکی کمیاب به کلریدها قبل از جداسازی استفاده میشوند. اودا از FeCl2 به عنوان عامل کلرزنی استفاده کرد و در دمای 800 درجه سانتیگراد واکنش داد و به نرخ بازیابی خاک کمیاب 95.9٪ و خلوص محصول بیش از 99٪ دست یافت.
روش آلیاژسازی مایع از تفاوت میل ترکیبی بین عناصر خاکی کمیاب و آهن برای سایر فلزات برای دستیابی به غنیسازی و جداسازی مؤثر عناصر خاکی کمیاب و آهن استفاده میکند. عنصر خاکی کمیاب Nd میتواند آلیاژهای مختلف با نقطه ذوب پایین را با Ag، Mg و غیره تشکیل دهد.
روش جداسازی سرباره-فلز بر اساس این ویژگی است که عناصر خاکی کمیاب در ضایعات NdFeB راحتتر با اکسیژن ترکیب میشوند. تمام فلزات موجود در ضایعات NdFeB به اکسیدهای فلزی تبدیل میشوند. همزمان، تحت دمای بالای یک عامل سرباره، اکسیدهای آهن با کنترل شرایط احیا به آهن فلزی تبدیل میشوند.
(II) فرآیند بازیابی مرطوب
بازیابی مرطوب در حال حاضر پرکاربردترین روش است که عمدتاً شامل روش انحلال کامل، روش انحلال ترجیحی اسید هیدروکلریک، روش رسوب نمک مضاعف و روش استخراج حلال است.
(III) فرآیندهای جدید بازیافت
هدف فناوریهای جدید بازیافت، حل مشکلات مصرف بالای انرژی و آلودگی زیاد مرتبط با روشهای سنتی، از جمله انفجار هیدروژن، بیولیچینگ و روشهای الکتروشیمیایی است.
مقایسه فرآیندهای مختلف بازیافت و تأثیر زیستمحیطی
فرآیندهای پیرومتالورژی دارای نرخ جریان کوتاه و ظرفیتهای فرآوری بالا هستند، اما مصرف انرژی بالایی دارند و جداسازی عناصر نادر خاکی منفرد دشوار است. فرآیندهای هیدرومتالورژی دارای نرخ بازیابی بالا و خلوص بالای محصول هستند، اما مصرف اسید بالا و هزینههای بالای تصفیه فاضلاب دارند. فرآیندهای جدیدتر مانند بیولیچینگ و روشهای الکتروشیمیایی سازگار با محیط زیست هستند، اما بیشتر در مرحله آزمایشگاهی هستند و هنوز در مقیاس بزرگ اعمال نشدهاند.
از نظر تأثیر زیستمحیطی، فرآیندهای بازیافت سنتی اغلب از اسیدهای قوی، قلیاهای قوی و دماهای بالا استفاده میکنند که مقادیر زیادی مایع زائد و گاز زائد تولید میکنند و بار زیستمحیطی را افزایش میدهند. بنابراین، توسعه فرآیندهای بازیافت سبز و کممصرف بسیار مهم است.
بازیافت ضایعات NdFeB یک راه کلیدی برای کاهش کمبود منابع نادر خاکی و کاهش آلودگی محیط زیست است. از طریق نوآوریهای تکنولوژیکی و راهنماییهای سیاستی، صنعت بازیافت NdFeB به سمت سبز شدن، کمهزینه بودن، فرآیندهای کوتاه و نرخ بازیابی بالا توسعه خواهد یافت و انگیزه جدیدی را به توسعه پایدار تزریق میکند.
کاربرد و توسعه مواد پودری معدنی در صنعت لاستیک
لاستیک به طور گسترده در حمل و نقل، ماشین آلات، الکترونیک، دفاع و سایر بخشهای اقتصاد ملی مورد استفاده قرار میگیرد. با این حال، لاستیک همچنین دارای معایب قابل توجه خود، مانند نیروهای بین مولکولی ضعیف، حجم آزاد زیاد و توانایی خود تبلور ضعیف است که منجر به استحکام و مدول پایین و مقاومت سایشی ضعیف در مواد لاستیکی میشود. بنابراین، برای برآورده کردن الزامات این کاربردها، افزودن پرکنندههای غیرفلزی معدنی ضروری است.
به طور کلی، پرکنندههای غیرفلزی معدنی در لاستیک عمدتاً عملکردهای زیر را انجام میدهند: تقویت، پر کردن (افزایش حجم) و کاهش هزینه، بهبود عملکرد پردازش، تنظیم ویژگیهای ولکانیزاسیون و ایجاد عملکردهای ویژه.
پرکنندههای معدنی غیرفلزی معدنی رایج در لاستیک
(1) سیلیس
سیلیس در حال حاضر دومین عامل تقویتکننده پرکاربرد در صنعت لاستیک پس از کربن سیاه است. فرمول شیمیایی سیلیس SiO2·nH2O است. ساختار ذرات آن حاوی حفرههای زیادی است. وقتی این حفرهها در محدوده 2 نانومتر تا 60 نانومتر باشند، به راحتی با سایر پلیمرها ترکیب میشوند، که دلیل اصلی استفاده از سیلیس به عنوان عامل تقویتکننده است. سیلیس به عنوان یک عامل تقویتکننده میتواند مقاومت سایشی و پارگی مواد را تا حد زیادی بهبود بخشد. همچنین میتواند خواص مکانیکی لاستیکها را به طور قابل توجهی بهبود بخشد و به طور گسترده در وسایل نقلیه، ابزار، هوافضا و سایر زمینهها مورد استفاده قرار میگیرد.
(2) کربنات کلسیم سبک
کربنات کلسیم سبک یکی از قدیمیترین و پرکاربردترین پرکنندهها در صنعت لاستیک است. مقادیر زیادی کربنات کلسیم سبک اضافه شده به لاستیک میتواند حجم محصول را افزایش دهد و در نتیجه باعث صرفهجویی در لاستیک طبیعی گرانقیمت و کاهش هزینهها شود. کربنات کلسیم سبک پرکننده لاستیک میتواند به استحکام کششی، مقاومت سایشی و استحکام پارگی بالاتری نسبت به لاستیکهای ولکانیزه خالص دست یابد. این ماده اثر تقویتکننده قابل توجهی در لاستیک طبیعی و مصنوعی دارد و همچنین میتواند قوام را تنظیم کند. در صنعت کابل، میتواند درجه خاصی از عایق را فراهم کند. (3) کائولن
کائولینیت یک آلومینوسیلیکات آبدار، یک کانی رسی رایج است. کاربرد عملی آن در لاستیک، خاصیت ارتجاعی، خواص بازدارندگی، افزایش طول و مقاومت خمشی لاستیک را افزایش میدهد. افزودن کائولینیت اصلاحشده به لاستیک استایرن-بوتادین (SBR) به طور قابل توجهی افزایش طول، مقاومت پارگی و سختی Shore لاستیک را بهبود میبخشد و در عین حال عمر مفید آن را نیز افزایش میدهد.
(4) خاک رس
بسته به الزامات فرآیند تولید، خاک رس را میتوان در طول تولید لاستیک اضافه کرد. خاک رس به عنوان پرکننده برای کاهش هزینهها استفاده میشود. با این حال، برای تسهیل اتصال با لاستیک، باید خاک رس فعال باشد. خاک رس فعال یا اصلاحشده میتواند تا حدی جایگزین کربن سیاه در فرمولاسیون شود.
مطالعات نشان میدهد که با افزایش مقدار خاک رس، سختی، تنش کششی 300٪ و مقاومت کششی ترکیب لاستیک کمی کاهش مییابد، اما این کاهش را میتوان با تنظیم سیستم ولکانیزاسیون جبران کرد. هنگامی که در فرمولاسیون آج استفاده میشود، پس از بهینهسازی سیستم، میتواند مقاومت غلتشی را نیز کاهش دهد.
(5) سولفات باریم
این ماده میتواند به طور موثری مقاومت در برابر پیری و آب و هوای محصولات لاستیکی مانند لاستیک تایر و تسمهها را افزایش دهد. علاوه بر این، میتواند صافی سطح محصولات لاستیکی را بهبود بخشد. به عنوان یک پرکننده پودری لاستیک، نه تنها میتواند میزان استفاده از پودر را بهبود بخشد، بلکه از نظر هزینه اقتصادی نیز مزایای آشکاری دارد.
(6) تالک
پودر تالک معمولاً به پودر تالک صنعتی عمومی و پودر تالک فوق ریز تقسیم میشود. پودر تالک صنعتی عمومی، به عنوان پرکننده لاستیک، نقش تقویتکنندهای ندارد و تأثیر ناچیزی در بهبود خواص فیزیکی لاستیک دارد. بنابراین، پودر تالک صنعتی عمومی اغلب به عنوان یک عامل جداکننده استفاده میشود. از سوی دیگر، پودر تالک فوق ریز اثر تقویتکننده خوبی دارد. اگر به عنوان پرکننده لاستیک استفاده شود، استحکام کششی خود لاستیک برابر با اثر تولید شده توسط سیلیس است.
(7) گرافیت
گرافیت متعلق به کانیهای غیرفلزی سیلیکات لایهای است و رسانایی حرارتی، رسانایی الکتریکی و روانکاری خوبی دارد. استفاده از گرافیت به عنوان پرکننده لاستیک شامل فرآیندی مشابه فرآیند مورد استفاده برای مونتموریلونیت است، که در آن گرافیت با استفاده از یک تکنیک خاص به ذرات نانومقیاس تجزیه میشود. هنگامی که این نانوذرات با ماتریس لاستیک ترکیب میشوند، خواص عملکردی مختلف لاستیک بهبود مییابد. به عنوان مثال، رسانایی الکتریکی، رسانایی حرارتی، هوابندی و خواص مکانیکی همگی به طور قابل توجهی افزایش مییابند.
انواع و کاربردهای فناوری کرویسازی پودر
فناوری کرویسازی پودر، یک جزء ضروری از صنعت و علم مدرن، میتواند ویژگیهای سطحی و خواص فیزیکی پودرها را بهبود بخشد، عملکرد مواد را بهینه کند و الزامات چندمنظوره را برآورده سازد. در حال حاضر، فناوری کرویسازی پودر در زمینههای متعددی از جمله داروسازی، مواد غذایی، مواد شیمیایی، حفاظت از محیط زیست، مواد، متالورژی و چاپ سهبعدی نفوذ کرده است.
فناوری آمادهسازی پودر کروی شامل رشتههای متعددی از جمله تخصص در شیمی، علوم مواد و مهندسی است. در زیر، فناوریهای مختلف درگیر در کرویسازی پودر را بررسی خواهیم کرد.
روش شکلدهی مکانیکی
روشهای شکلدهی مکانیکی در درجه اول از یک سری نیروهای مکانیکی مانند برخورد، اصطکاک و برش برای تغییر شکل پلاستیکی و جذب ذرات استفاده میکنند. پردازش مداوم منجر به ذرات متراکمتر میشود و لبههای تیز به تدریج توسط نیروی ضربه صاف و گرد میشوند. روشهای شکلدهی مکانیکی از آسیابهای ضربهای پرسرعت، آسیابهای همزن محیطی و سایر تجهیزات پودرکننده برای تولید مواد پودری ریز استفاده میکنند. این روشها در ترکیب با آسیاب خشک و مرطوب، مواد پودری با اندازه ذرات ریزتر، توزیع اندازه ذرات باریکتر و سرعت کرویسازی مشخصی تولید میکنند.
شکلدهی مکانیکی به طور گسترده در کرویسازی و شکلدهی گرافیت طبیعی، گرافیت مصنوعی و ذرات سیمان استفاده میشود. همچنین برای خرد کردن و پودر کردن پودرهای فلزی یا آلیاژی شکننده مناسب است. شکلدهی مکانیکی از طیف گستردهای از مواد اولیه کمهزینه استفاده میکند و از منابع موجود به طور کامل بهره میبرد. این روش مزایایی مانند سادگی، سازگاری با محیط زیست و مقیاسپذیری صنعتی را ارائه میدهد. با این حال، این روش از نظر مواد انتخابی نیست و نمیتواند کروی بودن، چگالی ضربهای و بازده ذرات فرآوری شده را تضمین کند. بنابراین، فقط برای تولید پودرهای کروی با نیازهای کیفی پایینتر مناسب است.
خشک کردن پاششی
خشک کردن پاششی شامل اتمیزه کردن یک ماده مایع به قطرات است که سپس به سرعت در جریان هوای گرم تبخیر میشوند و به ذرات جامد تبدیل میشوند. مزایای خشک کردن پاششی سادگی و سهولت کنترل خواص محصول است. این روش در درجه اول در زمینههای مواد منفجره نظامی و باتریها استفاده میشود.
واکنش شیمیایی فاز گازی
واکنش شیمیایی فاز گازی از مواد اولیه گازی (یا تبخیر مواد اولیه جامد به حالت گازی) برای تولید ترکیب مورد نظر از طریق یک واکنش شیمیایی استفاده میکند. سپس این ترکیب به سرعت متراکم میشود تا پودرهای کروی بسیار ریز از مواد مختلف تولید شود.
روش هیدروترمال
روش هیدروترمال از یک راکتور در شرایط دما و فشار بالا، با استفاده از آب یا یک حلال آلی به عنوان محیط واکنش برای یک واکنش شیمیایی استفاده میکند. اندازه ذرات را میتوان با تنظیم پارامترهایی مانند دمای هیدروترمال، زمان هیدروترمال، pH و غلظت محلول به طور موثر کنترل کرد.
روش رسوب
روش رسوب، یونهای فلزی را با یک رسوبدهنده خاص از طریق یک واکنش شیمیایی در یک محلول ترکیب میکند و ذرات کلوئیدی ریز و نیمه جامد تولید میکند و یک سوسپانسیون پایدار تشکیل میدهد. متعاقباً، با تنظیم بیشتر شرایط واکنش رسوب، مانند پیرسازی استاتیک، هم زدن آهسته یا تغییر محیط محلول، این ذرات کلوئیدی به تدریج جمع شده و به سمت شکل کروی رشد میکنند و یک رسوب کروی اولیه تشکیل میدهند. رسوب حاصل سپس خشک یا کلسینه میشود تا در نهایت یک ماده پودری کروی تولید شود.
روش سل-ژل
روش سل-ژل معمولاً شامل سه مرحله است: تهیه سل، تشکیل ژل و تشکیل پودر کروی. عملیات حرارتی میتواند ساختار و خواص پودر کروی را بهبود بخشد و کنترل دقیق اندازه و مورفولوژی ذرات را ممکن سازد.
روش میکروامولسیون
روش میکروامولسیون یک روش تهیه سیستم دو فازی مایع-مایع است. این روش شامل اضافه کردن یک حلال آلی حاوی یک پیشساز حلشده به یک فاز آبی برای تشکیل امولسیونی حاوی قطرات ریز است. سپس ذرات کروی از طریق هستهزایی، انعقاد، تجمع و عملیات حرارتی تشکیل میشوند. روشهای میکروامولسیون به طور گسترده در تهیه نانوذرات و مواد کامپوزیتی آلی-معدنی استفاده میشوند.
کرویسازی پلاسما
با توسعه سریع فناوری پیشرفته و نیاز مبرم به نانومواد جدید و فرآیندهای آمادهسازی نوین، تحقیق و کاربرد شیمی پلاسما توجه فزایندهای را به خود جلب کرده است. کرویسازی پلاسما، که با دمای بالا، آنتالپی بالا، واکنشپذیری شیمیایی بالا و جو و دمای واکنش قابل کنترل مشخص میشود، برای تولید پودرهای کروی با ذرات کوچک و خلوص بالا ایدهآل است.
روشهای دیگر شامل احتراق ناقص، گلولهسازی شعلهای با احتراق گاز، اتمیسازی اولتراسونیک، اتمیسازی گریز از مرکز، برش سیمی، پانچ و ذوب مجدد و اسپری میکروپور پالسی است.
چگونه سطح پودر نیترید سیلیکون را اصلاح کنیم؟
اصلاح سطح پودر نیترید سیلیکون در درجه اول شامل اصلاح سطح پودر از طریق روشهای مختلف فیزیکی و شیمیایی برای بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی ذرات است.
اصلاح سطح میتواند جاذبه متقابل بین ذرات پودر را کاهش دهد، امکان پراکندگی بهتر پودر در محیط را فراهم کند و پراکندگی دوغاب پودر را بهبود بخشد. همچنین میتواند فعالیت سطحی پودر نیترید سیلیکون را افزایش دهد، سازگاری آن را با سایر مواد افزایش دهد و در نتیجه خواص جدیدی ایجاد کند.
اصل اصلی اصلاح سطح پودر این است که تعامل بین پودر و اصلاحکننده سطح، ترشوندگی سطح پودر را افزایش داده و پراکندگی آن را در محیطهای آبی یا آلی بهبود میبخشد.
1. اصلاح پوشش سطحی
فناوری اصلاح پوشش سطحی از جذب فیزیکی یا شیمیایی برای اتصال یکنواخت ماده پوشش به سطح جسم پوشش داده شده استفاده میکند و یک لایه پوشش یکنواخت و کامل تشکیل میدهد. لایه پوشش تشکیل شده در طول فرآیند پوشش معمولاً یک لایه است.
اصلاح پوشش به طور کلی به دو دسته معدنی و آلی طبقهبندی میشود. پوشش معدنی در درجه اول شامل رسوب اکسیدها یا هیدروکسیدهای مناسب روی سطح ذرات سرامیکی برای اصلاح پودر است، اما این اصلاح فقط بر خواص فیزیکی تأثیر میگذارد. از سوی دیگر، پوشش آلی شامل انتخاب مواد آلی به عنوان مواد پوشش دهنده است. این مواد آلی با گروههایی روی سطح ذرات پودر پیوند برقرار میکنند و به صورت انتخابی روی سطح جذب میشوند و خواص لایه پوشش را به پودر منتقل میکنند.
این فناوری اصلاح، هزینه کم، مراحل ساده و کنترل آسان را ارائه میدهد، اما نتایج حاصل اغلب محدود است.
2. عملیات اسیدی و قلیایی سطحی
فرآیندهای قالبگیری سرامیکی عموماً به دوغابهای سرامیکی با محتوای جامد بالا و ویسکوزیته پایین نیاز دارند. چگالی بار روی سطح پودر به طور قابل توجهی بر رئولوژی و پراکندگی دوغاب تأثیر میگذارد. شستشوی سطح پودر سرامیکی (عملیات اسیدی و قلیایی) میتواند خواص بار سطحی پودر را تغییر دهد. همانطور که از نام آن پیداست، این روش اصلاح شامل مخلوط کردن کامل و شستشوی پودر نیترید سیلیکون با محلولهای اسیدی یا قلیایی با غلظتهای مختلف است.
در عین حال، عملیات قلیایی با غلظت مشخص نیز میتواند با سطح پودرهای سرامیکی واکنش نشان دهد. تحقیقات وانگ یونگمینگ و همکارانش نشان داده است که شستشوی قلیایی میتواند محتوای سیلانول را روی سطح پودر کاربید سیلیکون کاهش دهد، درجه اکسیداسیون آن را پایین بیاورد، دافعه الکترواستاتیک بین ذرات را تغییر دهد و خواص رئولوژیکی دوغاب را بهبود بخشد.
۳. اصلاح دیسپرسانت
بر اساس تفاوتهای بین انواع مختلف پودرهای سرامیکی، انتخاب یک دیسپرسانت مناسب یا طراحی یک دیسپرسانت جدید نقش کلیدی در افزایش محتوای جامد دوغاب سرامیکی دارد. نوع و مقدار دیسپرسانت اضافه شده میتواند تأثیر آن بر خواص سرامیک را به طور قابل توجهی تغییر دهد.
دیسپرسانتها عموماً دارای ساختارهای آبدوست و آبگریز هستند و از طریق تعامل بین این گروههای آبدوست و آبگریز است که خواص پراکندگی دوغاب سرامیکی را تنظیم میکنند. دیسپرسانتها شامل سورفکتانتها یا الکترولیتهای پلیمری هستند که سورفکتانتها شامل سورفکتانتهای کاتیونی و آنیونی هستند.
الکترولیتهای پلیمری شامل پلیوینیل سولفونیک اسید، پلیاکریلیک اسید، پلیوینیل پیریدین و پلیاتیلنایمین هستند. پراکندهسازها میتوانند با سطح پودر واکنشهای جذب سطحی، از جمله جذب شیمیایی و فیزیکی، انجام دهند و از نیروهای بین ذرهای (نیروهای واندروالس و دافعه الکترواستاتیک) و پتانسیل اثرات فضایی استفاده کنند.
۴. اصلاح آبگریزی سطح
اصلاح آبگریزی سطح شامل تبدیل گروههای هیدروکسیل در پودر سرامیکی به گروههای آبگریز، مانند گروههای هیدروکربنی، گروههای آلکیل با زنجیره بلند و گروههای سیکلوآلکیل است. این گروههای آلی به سطح پودر سرامیکی متصل میشوند و یک اثر آبگریزی قوی ایجاد میکنند که امکان پراکندگی بهتر در محیط پراکندگی و جلوگیری از تجمع را فراهم میکند.
هنگامی که پلیمرها روی سطح پودر نیترید سیلیکون پیوند زده میشوند، زنجیرههای پلیمری بلند به سطح پودر متصل میشوند، در حالی که زنجیرههای آبدوست در انتهای دیگر به داخل محیط آبی امتداد مییابند. در طول فرآیند پراکندگی، ذرات پودر هم دافعه بین ذرهای و هم مانع فضایی ایجاد شده توسط زنجیرههای پلیمری بلند را تجربه میکنند که منجر به پراکندگی بهتر دوغاب میشود.
چهار حوزه کاربردی نوآورانه و چشماندازهای کائولن
کائولن، یک کانی سیلیکات لایهای با نسبت ۱:۱، دارای خواص متعددی از جمله پراکندگی، پلاستیسیته، قابلیت تفجوشی، خواص نسوز، تبادل یونی و پایداری شیمیایی است که باعث میشود در زمینههای مختلف صنعتی به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد. در حال حاضر، کاربردهای کائولن در درجه اول در صنایع سنتی مانند سرامیک، کاغذسازی و نسوزها متمرکز شده است.
۱. کامپوزیتهای با کارایی بالا
کاربرد کائولن در کامپوزیتها میتواند خواص سطحی (مانند ظرفیت جذب) مواد را بهبود بخشد.
مزایای کائولن در کامپوزیتها شامل افزایش جذب، افزایش خواص الکتریکی، بهبود پایداری حرارتی/مقاومت در برابر آتش و بهبود پایداری مکانیکی است. با این حال، کاربردهای عملی هنوز چالشهایی مانند پراکندگی ناکافی و سازگاری بین سطحی کائولن در کامپوزیتها را نشان میدهند که ممکن است اثربخشی آن را محدود کند.
جهتگیریهای تحقیقاتی آینده شامل توسعه فناوریهای اصلاح سطح کائولن کارآمدتر و سبزتر برای بهبود پراکندگی و سازگاری آن با مواد ماتریس؛ بررسی طراحی کامپوزیتهای چند منظوره مبتنی بر کائولن برای برآوردن نیازهای کاربردهای خاص، مانند برداشت انرژی، تصفیه فاضلاب و ایمنی در برابر آتش است. و افزایش بیشتر سطح ویژه کائولن و تعداد مکانهای فعال از طریق پردازش در مقیاس نانو و دستکاری مولکولی، و در نتیجه افزایش عملکرد آن. علاوه بر این، باید تلاشهایی برای ترویج فرآیندهای تولید کمهزینه و سازگار با محیط زیست برای کامپوزیتهای کائولن و ادغام فناوریهای تولید هوشمند برای دستیابی به کاربرد در مقیاس بزرگ انجام شود.
2. مواد متخلخل: حوزه غربال مولکولی
غربالهای مولکولی موادی با ساختار منافذ منظم هستند که به طور انتخابی مولکولهای مختلف را جذب میکنند. آنها به طور گسترده در پالایش نفت، پتروشیمی، کشاورزی و تصفیه آب استفاده میشوند. کائولن، یک ماده معدنی طبیعی رایج و ارزان غنی از سیلیس و آلومینا، میتواند مستقیماً برای سنتز غربالهای مولکولی زئولیت استفاده شود. در مقایسه با منابع سنتی و بالقوه سمی سیلیکون و آلومینیوم، کائولن نه تنها سازگار با محیط زیست است، بلکه هزینهها را نیز کاهش میدهد و فرآیند سنتز را ساده میکند.
کائولن نه تنها فعالیت سیلیکات و آلومینا را از طریق پیش تصفیههای ساده مانند کلسیناسیون و لیچینگ اسیدی فعال میکند، بلکه عملکرد غربال مولکولی را از طریق دستکاری عامل قالبگیری و بهینهسازی دما، بیشتر افزایش میدهد.
۳. زیستپزشکی
کائولین نوعی کانی رسی نانوسیلیکاتی است که با زیستسازگاری عالی، سطح ویژه بالا، بیاثری شیمیایی، خواص کلوئیدی و تیکسوتروپی مشخص میشود. در حوزه زیستپزشکی، تحقیقات به تدریج از کاربردهای اولیه حامل دارو به سمت کاربردهای پیچیدهتر زیستپزشکی مانند ژندرمانی و چاپ زیستی سهبعدی در حال تغییر است. کاربردهای کائولین از پشتیبانی فیزیکی ساده و رهاسازی دارو به سیستمهای پیچیدهای که رشد سلول و انتقال ژن را تقویت میکنند، گسترش یافته است.
۴. ذخیرهسازی انرژی
ذخیره انرژی همیشه موضوع داغی بوده است. جستجوی راهحلهای ذخیرهسازی انرژی کارآمد و پایدار یکی از مسیرهای کلیدی برای پرداختن به چالشهای جهانی انرژی است. کائولین، با ساختار منحصر به فرد و چندمنظوره بودن خود، به کاندیدای ایدهآلی برای ذخیرهسازی انرژی تبدیل شده است. کائولین در انواع دستگاههای ذخیرهسازی انرژی مانند باتریهای لیتیوم-یون، ابرخازنها و سلولهای سوختی میکروبی استفاده میشود.
چشمانداز کاربردهای آینده کائولین به شرح زیر است:
الف. تحقیق و توسعه مواد نوآورانه بر فناوریهای نانوپردازش و اصلاح سطح کائولن متمرکز خواهد بود، با هدف افزایش عملکرد آن در الکترونیک، ذخیرهسازی انرژی و سایر زمینهها. به عنوان مثال، نانوکامپوزیتهای مبتنی بر کائولن را میتوان با ترکیب آنها با پلیمرها یا مواد مبتنی بر کربن برای بهبود استحکام مکانیکی و رسانایی توسعه داد.
ب. کائولن پتانسیل ارائه راهحلهایی برای مسائل زیستمحیطی مانند تصفیه آب و اصلاح خاک، به ویژه در حذف فلزات سنگین و جذب آلایندهها را دارد.
ج. ادغام فناوریهای بین رشتهای، کاربرد نوآورانه کائولن را در حوزه بیودارویی ارتقا میدهد و بیوتکنولوژی را برای توسعه سیستمهای دارورسانی یا داربستهای زیست فعال ادغام میکند.
د. با افزایش تقاضای بازار برای مواد سازگار با محیط زیست، شرکتها باید همکاری با مؤسسات تحقیق و توسعه را تقویت کنند تا اکتشافات نوآورانه را به محصولات رقابتی، مانند سرامیکهای کائولن بادوام و مقاوم در برابر دمای بالا یا کامپوزیتهای سبک، تبدیل کنند.
ه. با تأکید جهانی بر توسعه پایدار، حمایت از سیاستها و امکانسنجی اقتصادی بر جهتگیری تحقیق و توسعه و کاربرد کائولن تأثیر خواهد گذاشت. بنابراین، این صنعت باید به دقت بر دسترسی به منابع و بهینهسازی هزینه نظارت داشته باشد، ضمن اینکه مدیریت ریسک را تقویت کرده و رقابتپذیری جهانی را برای مقابله با محیط پیچیده بینالمللی افزایش دهد.
سولفات باریم اصلاحشده با SDS برای مصارف آرایشی
ماتکنندههای آرایشی، مواد کلیدی برای دستیابی به اثراتی مانند پنهان کردن لکهها و روشنتر کردن پوست هستند؛ پراکندگی و پایداری آنها مستقیماً بر عملکرد و ماندگاری محصول تأثیر میگذارد.
سولفات باریم به دلیل ضریب شکست بالا، کدورت خوب و پایداری شیمیایی، به طور گسترده در لوازم آرایشی استفاده میشود. با این حال، تمایل آن به تجمع، کاربرد آن را در لوازم آرایشی محدود میکند.
این مطالعه، پراکندگی و پایداری سولفات باریم را در ماتریسهای آرایشی با تهیه سولفات باریم فوق ریز با استفاده از آسیاب گلولهای و بهینهسازی فرآیندهای اصلاح سطح و پراکندگی بررسی میکند.
1. روشهای اصلاح
(1) پیش تصفیه سولفات باریم
سولفات باریم صنعتی خشک و از طریق یک الک 200 مش در دستهها الک شد. برای هر دسته، 100 گرم سولفات باریم با 0.5 گرم اسید استئاریک در یک آسیاب دو غلتکی به مدت 3 دقیقه مخلوط شد. سپس رولها با حداقل فاصله تنظیم شده و 6 بار از میان غلتکها عبور داده شدند و پس از آن یک عبور نهایی با فاصله 2 میلیمتری انجام شد که اختلاط اولیه را تکمیل میکرد. سولفات باریم مخلوط شده به مدت 4 ساعت در دمای 80 درجه سانتیگراد خشک شد تا محصول پیش تصفیه شده به دست آید.
(2) اصلاح سطح
با استفاده از 100 قسمت از فرمولاسیون پایه، نسبتهای مختلفی از سولفات باریم پیش تصفیه شده اضافه شده و در دمای 60 درجه سانتیگراد تحت اصلاح سطح قرار گرفتند. در طول اصلاح، 1.5 قسمت از سدیم دودسیل سولفات اضافه شد و مخلوط کاملاً مخلوط شد. رولها با حداقل فاصله تنظیم شده و 6 بار قبل از صاف شدن از میان غلتکها عبور داده شدند و سولفات باریم اصلاح شده به دست آمد.
(3) آمادهسازی دیسپرسیون
سولفات باریم اصلاح شده با نسبتهای مختلف با استفاده از ترکیبی از هم زدن مکانیکی و پراکندگی اولتراسونیک در فرمولاسیون پایه پراکنده شد. به طور خاص، مقدار مشخصی از سولفات باریم اصلاح شده وزن شد، به آب دیونیزه اضافه شد و به مدت 10 دقیقه به صورت اولتراسونیک پراکنده شد. سپس فرمولاسیون پایه به آرامی و در حال هم زدن اضافه شد و مخلوط به مدت 30 دقیقه دیگر هم زده شد.
2. فرآیند اصلاح بهینه و ارزیابی عملکرد
(1) فرآیند اصلاح بهینه
از طریق تحقیقات سیستماتیک، شرایط بهینه فرآیند تعیین شد: سولفات باریم صنعتی از طریق یک الک 200 مش الک شد و به مدت 4 ساعت در دمای 60 درجه سانتیگراد خشک شد. سدیم دودسیل سولفات به عنوان اصلاح کننده سطح با 1.5٪ وزن سولفات باریم استفاده شد و اصلاح در دمای 60 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت انجام شد. در فرآیند پراکندگی، محتوای سولفات باریم در 15٪ -20٪، دمای پراکندگی در 60 درجه سانتیگراد، زمان پراکندگی در 15 دقیقه و pH سیستم در 8.0-8.5 حفظ شد. ترکیبی از هم زدن مکانیکی و پراکندگی اولتراسونیک استفاده شد.
تحت این شرایط، سیستم پراکندگی حاصل ویژگیهای زیر را نشان داد: توزیع اندازه ذرات یکنواخت با اندازه ذرات اصلی 0.8-1.2 میکرومتر؛ پایداری خوب پخشکننده بدون رسوب قابل توجه در عرض 7 روز؛ و پوشش عالی با یک فیلم یکنواخت و پیوسته.
(2) ارزیابی کاربرد در لوازم آرایشی
دیسپرسیون سولفات باریم تهیه شده در فرمولاسیونهای آرایشی ارزیابی شد: افزودن 15٪ از دیسپرسیون سولفات باریم اصلاح شده به یک کرم پودر منجر به پوشش خوب و تجربه کاربری دلپذیر، با سازگاری خوب با ماتریس پایه و عدم جداسازی فاز شد.
افزودن 20٪ از دیسپرسیون به فرمولاسیون کانسیلر، پوشش را به طور قابل توجهی بهبود بخشید، پایداری خوبی را حفظ کرد و جلوهای طبیعی و ماندگار ارائه داد.
نتایج ارزیابی کاربرد نشان میدهد که دیسپرسیون سولفات باریم تهیه شده با استفاده از فرآیند بهینه شده، عملکرد عالی در کاربردهای آرایشی از خود نشان میدهد. آلپا در آسیاب و طبقهبندی فوقالعاده ریز برای به حداکثر رساندن ارزش محصول شما تخصص دارد. متخصص در آسیاب و طبقهبندی فوقالعاده ریز باریت.
پتانسیل مونتموریلونیت در زمینه انرژیهای نو
مونت موریلونیت (MMT) یک کانی سیلیکات لایهای است. در ساختار آن، اتمهای آلومینیوم با ظرفیت بالا در هشتوجهیهای آلومینیوم-اکسیژن میتوانند به راحتی توسط اتمهای با ظرفیت پایینتر جایگزین شوند و در نتیجه بار منفی بین لایهها ایجاد شود. برای حفظ پایداری ساختار بین لایهای، مونت موریلونیت کاتیونهایی مانند Na+، Ca2+، Mg2+، Al3+ و K+ را از محیط اطراف خود جذب میکند. این ویژگی به مونت موریلونیت قابلیتهای جذب و تبادل کاتیونی قوی میدهد. این ساختار و ظرفیت تبادل منحصر به فرد، پتانسیل قابل توجهی برای کاربرد در زمینه فناوریهای انرژی جدید به مونت موریلونیت میدهد.
مواد باتری لیتیومی
(1) برای الکترولیتهای حالت جامد
مطالعات متعدد نشان دادهاند که مونت موریلونیت (MMT)، به عنوان یک پرکننده معدنی جدید، میتواند رسانایی یونی و خواص مکانیکی الکترولیتهای پلیمری جامد (SPE) را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.
(2) ساخت لایههای مصنوعی SEI
در لایههای مصنوعی الکترولیت جامد بین فازی (SEI)، لایههای مونتموریلونیت-لیتیوم (Li-MMT) خواص مکانیکی خوبی به لایه SEI میدهند و کانالهای انتقال Li+ را فراهم میکنند که به سرکوب رشد دندریت لیتیوم کمک میکند. با بهرهگیری از کانالهای سریع Li+ در Li-MMT، یک سلول کامل Li-LiFePO4 که با یک لایه SEI Li-MMT مونتاژ شده است، عملکرد سرعت بالاتری را نشان میدهد و پس از 400 سیکل با سرعت 1C، ظرفیت بالای 90.6٪ را حفظ میکند.
(3) بهینهسازی جداکننده
MMT به دلیل خواص جذب عالی خود برای بهینهسازی جداکنندهها استفاده میشود. در مقایسه با جداکنندههای PE تجاری، جداکننده اصلاحشده Li-MMT غلظت Li+ بالاتری در سطح مشترک الکترود/الکترولیت دارد که رسوب انتخابی لیتیوم را کاهش میدهد، چگالی جریان موضعی را تضعیف میکند و رشد دندریت را سرکوب میکند.
(4) بهینهسازی الکترولیتهای مایع
در سیستمهای باتری لیتیوم-فلزی، در مقایسه با الکترولیتهای PEO، مونتموریلونیت میل ترکیبی قویتری با لیتیوم فلزی نشان میدهد، با پتانسیل زتای +26 میلیولت، که غنیسازی یونهای لیتیوم را در نزدیکی سطح مونتموریلونیت افزایش میدهد. با جذب و جداسازی یونهای لیتیوم، پتانسیل اضافی کمی به -57.7 میلیولت افزایش مییابد و یونهای لیتیوم را به مهاجرت از مونتموریلونیت و رسوب روی سطح جمعکننده جریان مس هدایت میکند.
(5) مواد حامل
ابرخازنها
مواد قالب
برخی از مواد معدنی طبیعی مورفولوژیهای خاصی دارند، مانند آتاپولژیت، مونتموریلونیت، هالویزیت و دیاتومیت، که معمولاً به عنوان قالب برای سنتز مواد کربنی متخلخل با مورفولوژیهای خاص استفاده میشوند. علاوه بر این، پلیمرهای رسانا با مورفولوژیهای خاص را میتوان با استفاده از روش قالب معدنی سنتز کرد. (2) مواد حامل الکترود
برای به دست آوردن مواد فعال با مورفولوژیهای خاص، و همزمان افزایش ظرفیت خازنی خاص و بهبود پایداری چرخه، میتوان مواد فعال را روی سطح مواد معدنی مانند مونتموریلونیت و هالویزیت بارگذاری کرد.
مواد ذخیرهسازی متان
در حال حاضر، محققان در حال بررسی استفاده از فناوری ذخیرهسازی گاز طبیعی مبتنی بر جذب هستند که اقتصادی، راحت و ایمن است و به عنوان جایگزینی برای فناوریهای سنتی گاز طبیعی فشرده و گاز طبیعی مایع شده استفاده میشود. مطالعات نشان داده است که کانیهای رسی نقش مثبتی در تشکیل و توسعه مخازن گاز شیل دارند و دارای قابلیتهای ذخیرهسازی گاز هستند.
مواد الکتروکاتالیستی
الکتروکاتالیز نوعی کاتالیز است که واکنشهای انتقال بار را در سطح مشترک الکترود/الکترولیت تسریع میکند و به طور گسترده در زمینههایی مانند تکامل الکتروشیمیایی هیدروژن، تکامل اکسیژن و کاهش NOx مورد استفاده قرار گرفته است. کانیهای رسی مانند مونتموریلونیت به طور گسترده به عنوان حامل اجزای واکنش الکترود فوتوالکتروکاتالیستی برای جلوگیری از تجمع ذرات، بهبود پایداری مولکولهای حساسکننده و افزایش گزینشپذیری واکنش مورد استفاده قرار گرفتهاند.
مواد ذخیره انرژی حرارتی تغییر فاز
مواد ذخیره انرژی حرارتی تغییر فاز (PCM) نوع جدیدی از مواد کاربردی هستند که از جذب یا آزادسازی گرما در طول تغییر فاز برای ذخیره و آزادسازی انرژی حرارتی استفاده میکنند. مواد معدنی طبیعی نقش مهمی در زمینه ذخیره انرژی حرارتی تغییر فاز دارند. از یک سو، خود مواد معدنی طبیعی مواد تغییر فاز معدنی عالی هستند و پس از افزودن عوامل هستهزا و غلیظکنندههای مناسب، میتوانند به مواد ذخیره انرژی حرارتی تغییر فاز با عملکرد بالا تبدیل شوند. از سوی دیگر، ساختار متخلخل مواد معدنی میتواند به عنوان یک حامل عالی برای مواد ذخیره انرژی حرارتی تغییر فاز عمل کند.
اصلاح پوشش پودری دی اکسید تیتانیوم
اصلاح سطح پودر دی اکسید تیتانیوم (تیتانیوم سفید) یک روش مهم برای افزایش عملکرد آن (مانند پراکندگی، مقاومت در برابر آب و هوا، براقیت و پایداری شیمیایی) است. تکنیکهای رایج اصلاح سطح را میتوان به طور کلی به سه نوع طبقهبندی کرد: پوشش معدنی، پوشش آلی و پوشش کامپوزیتی. در زیر طبقهبندی دقیق و معرفی مختصری از این روشها آمده است:
اصلاح پوشش معدنی
این روش شامل پوشش سطح ذرات دی اکسید تیتانیوم با لایهای از اکسیدها یا نمکهای معدنی است که یک مانع فیزیکی برای بهبود پایداری شیمیایی و خواص نوری آن تشکیل میدهد.
1. پوشش اکسید
اصل: هیدراتهای اکسید فلزی (مانند SiO₂، Al₂O₃، ZrO₂ و غیره) روی سطح ذرات دی اکسید تیتانیوم رسوب میکنند و یک لایه پوشش یکنواخت تشکیل میدهند.
فرآیند: معمولاً از یک روش رسوب فاز مایع استفاده میشود که در آن نمکهای فلزی (مانند سیلیکات سدیم، سولفات آلومینیوم) به دوغاب دی اکسید تیتانیوم اضافه میشوند و pH برای رسوب هیدراتهای اکسید فلزی روی سطح تنظیم میشود.
2. پوشش اکسید کامپوزیت
اصل: پوشش با دو یا چند اکسید فلزی (مانند Al₂O₃-SiO₂، ZrO₂-SiO₂ و غیره)، با ترکیب مزایای هر جزء.
ویژگیها: عملکرد کلی برتر؛ به عنوان مثال، پوشش Al₂O₃-SiO₂ میتواند به طور همزمان پراکندگی و مقاومت در برابر آب و هوا را بهبود بخشد، مناسب برای پوششهای خودرویی و پوششهای کویل با سختی بالا.
3. پوشش نمکی
اصل: استفاده از نمکهای فلزی (مانند فسفاتها، سیلیکاتها، سولفاتها و غیره) برای تشکیل یک لایه نمک نامحلول روی سطح ذرات دی اکسید تیتانیوم.
اصلاح پوشش آلی
این روش شامل واکنش ترکیبات آلی با گروههای هیدروکسیل روی سطح دی اکسید تیتانیوم و تشکیل یک لایه مولکولی آلی برای بهبود سازگاری آن با محیطهای آلی است. ۱. پوشش عامل اتصال
اصول: با استفاده از ساختار آمفیفیلیک عوامل اتصال (مانند سیلانها، تیتاناتها و آلومیناتها)، یک سر به گروههای هیدروکسیل روی سطح دیاکسید تیتانیوم متصل میشود، در حالی که سر دیگر با ماتریس آلی (مانند رزین، پلیمر) واکنش میدهد.
عملکردها:
عوامل اتصال سیلان: پراکندگی دیاکسید تیتانیوم را در سیستمهای آبی بهبود میبخشد، که معمولاً در پوششها و جوهرهای پایه آب استفاده میشود.
عوامل اتصال تیتانات/آلومینات: سازگاری را در سیستمهای روغنی مانند پلاستیک و لاستیک افزایش میدهد و باعث کاهش تجمع در حین پردازش میشود.
۲. پوشش سورفکتانت
اصول: سورفکتانتها (مانند اسیدهای چرب، سولفوناتها و نمکهای آمونیوم چهارتایی) از طریق جذب فیزیکی یا واکنش شیمیایی به سطح دیاکسید تیتانیوم میچسبند و یک لایه باردار یا لایه آبگریز تشکیل میدهند.
۳. پوشش پلیمری
اصل: پیوند پلیمرها (مانند اکریلاتها، رزینهای اپوکسی و سیلوکسانها) بر روی سطح دیاکسید تیتانیوم از طریق واکنشهای پلیمریزاسیون.
عملکردها:
تشکیل یک لایه پوشش ضخیم، محافظت بیشتر در برابر حمله شیمیایی و بهبود مقاومت در برابر آب و هوا و خواص مکانیکی.
افزایش سازگاری با رزینهای خاص، مناسب برای کامپوزیتها و پوششهای با کارایی بالا.
۴. پوشش ارگانوسیلیکون
اصل: استفاده از انرژی سطحی پایین پلی سیلوکسانها (روغن سیلیکون، رزین سیلیکون و غیره) برای پوشش دادن ذرات دیاکسید تیتانیوم.
عملکردها: کاهش کشش سطحی، بهبود پراکندگی و روانکاری، که معمولاً در جوهرها و لوازم آرایشی استفاده میشود.
اصلاح پوشش کامپوزیتی
با ترکیب مزایای پوششهای معدنی و آلی، یک فرآیند پوشش دوگانه (متوالی یا همزمان) به عملکرد مکمل دست مییابد.
۱. پوششدهی متوالی معدنی-آلی
فرآیند: ابتدا، یک مانع فیزیکی با اکسیدهای معدنی (به عنوان مثال، SiO₂) تشکیل دهید، سپس اصلاح آلی را با عوامل اتصال یا پلیمرها انجام دهید.
ویژگیها: تعادل بین مقاومت در برابر آب و هوا و سازگاری، مناسب برای پوششهای معماری با عملکرد بالا یا رنگهای OEM خودرو. ۲. پوششدهی همزمان معدنی-آلی
فرآیند: عوامل پوششدهنده معدنی و آلی به طور همزمان در یک سیستم واکنش وارد میشوند تا یک ساختار هسته-پوسته تشکیل دهند.
ویژگیها: لایه پوشش چسبندگی قویتر و عملکرد قابل توجهی بهبود یافته را نشان میدهد، مناسب برای کاربردهای سطح بالا (به عنوان مثال، پوششهای هوافضا، نانوکامپوزیتها).
سایر فناوریهای پوششدهی ویژه
۱. پوششدهی نانوذرات
اصل: استفاده از نانوذرات (به عنوان مثال، نانو-SiO₂، نانو-ZnO) برای پوشش، محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش و شفافیت را افزایش میدهد، که معمولاً در لوازم آرایشی ضد آفتاب و پوششهای نوری استفاده میشود.
۲. ریزکپسولهسازی
اصل: کپسوله کردن ذرات دیاکسید تیتانیوم در میکروکپسولهای پلیمری، آزادسازی دیاکسید تیتانیوم با کنترل شرایط پارگی کپسول (مثلاً دما، pH)، مناسب برای پوششهای هوشمند و سیستمهای رهایش کنترلشده.
انتخاب روشهای مختلف پوششدهی به کاربرد (مثلاً پوششها، پلاستیکها، جوهرها، لوازم آرایشی) و الزامات عملکردی (مقاومت در برابر آب و هوا، پراکندگی، سازگاری و غیره) بستگی دارد.