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.
شش روش اصلاح عمده نانو اکسید روی
نانو اکسید روی نوع جدیدی از مواد شیمیایی معدنی ریز کاربردی است. به دلیل اندازه ذرات کوچک و سطح ویژه بزرگ، دارای خواص فیزیکوشیمیایی منحصر به فردی در شیمی، اپتیک، زیست شناسی و الکترونیک است. این ماده به طور گسترده در افزودنی‌های ضد میکروبی، کاتالیزورها، لاستیک، رنگ‌ها، جوهرها، پوشش‌ها، شیشه، سرامیک‌های پیزوالکتریک، اپتوالکترونیک و کاربردهای شیمیایی روزانه استفاده می‌شود و نویدبخش توسعه و بهره‌برداری است.
با این حال، به دلیل سطح ویژه بزرگ و انرژی سطحی ویژه بالا، نانو اکسید روی قطبیت سطحی قوی، مستعد خود-انباشتگی از خود نشان می‌دهد و پراکندگی یکنواخت آن در محیط‌های آلی دشوار است و به طور قابل توجهی اثر نانویی آن را محدود می‌کند. بنابراین، پراکندگی و اصلاح سطح پودرهای نانو اکسید روی، قبل از استفاده از نانومواد در ماتریس‌ها، از روش‌های ضروری هستند.
1. اصلاح سورفکتانت
اصلاح سورفکتانت شامل برهمکنش الکترواستاتیک سورفکتانت‌ها برای تشکیل یک پوشش آلی روی سطح نانومواد است و در نتیجه سازگاری آنها را با ماتریس‌های آلی بهبود می‌بخشد.
اگرچه اصلاح سورفکتانت یک فرآیند ساده است، اما اثربخشی آن عموماً ضعیف است و تشکیل یک پوشش پایدار و مقاوم روی سطح نانومواد را دشوار می‌کند.
۲. اصلاح مکانوشیمیایی
اصلاح مکانوشیمیایی از نیروهای مکانیکی برای تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی نانومواد استفاده می‌کند و در نتیجه میل ترکیبی و واکنش‌پذیری آنها با سایر مواد را افزایش می‌دهد.
با این حال، اصلاح مکانوشیمیایی معمولاً زمان زیادی طول می‌کشد و عموماً نتایج ضعیفی برای نانومواد دارد.
۳. اصلاح پرانرژی
اصلاح پرانرژی شامل پلیمریزاسیون مونومرهای ترکیبات آلی با استفاده از پلاسما یا عملیات تابشی است که سپس سطح نانومواد را می‌پوشاند.
اصلاح پرانرژی عموماً نتایج بهتری نسبت به دو روش قبلی به دست می‌آورد، اما معایبی مانند مصرف انرژی بالا و دشواری فنی دارد.
۴. اصلاح استری
استری کردن یک روش اصلاح سطح است که از گروه‌های اسید کربوکسیلیک در اصلاح‌کننده‌هایی مانند اسیدهای چرب بالاتر یا اسیدهای آلی غیراشباع برای واکنش با گروه‌های هیدروکسیل روی سطح نانومواد برای دستیابی به استری شدن استفاده می‌کند.
روش استری‌سازی ساده است، اما اثر اصلاح آن ضعیف است و معمولاً باید همراه با یک عامل اتصال استفاده شود.
5. پیوند پلیمری
پیوند پلیمری شامل ابتدا پیوند یک مونومر پلیمری روی سطح یک نانوماده، سپس شروع یک واکنش پلیمریزاسیون برای گسترش زنجیره کربن و در نهایت اجازه دادن به پلیمر برای پوشاندن کل نانوماده است.
روش پیوند پلیمری از نظر عملیاتی پیچیده است و اثر اصلاح تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار می‌گیرد که دستیابی به کاربرد گسترده را دشوار می‌کند.
6. اصلاح عامل اتصال
یک عامل اتصال بر اساس یک عنصر سیلیکون یا فلز است که دو گروه مختلف در دو طرف آن وجود دارد که می‌توانند به ماتریس‌های معدنی و آلی متصل شوند. این سه جزء با هم کار می‌کنند تا اصلاح شیمیایی نانوماده حاصل شود. نانواکسید روی با عامل اتصال سیلان APS اصلاح شد. هر دو نانواکسید روی اصلاح شده و اصلاح نشده در اتانول بی‌آب پراکنده شدند تا جوهرهای چاپ برای استفاده به عنوان مواد لایه انتقال الکترون در سلول‌های فتوولتائیک تهیه شوند. سپس عملکرد دو جوهر مقایسه شد. نتایج نشان داد که نانواکسید روی اصلاح‌شده در اتانول بی‌آب بهتر پراکنده شد و به مدت ۱۲ ماه به صورت آگلومره باقی ماند. ماده لایه انتقال الکترون تهیه‌شده با این عامل، راندمان انتقال الکترون بالاتری را نشان داد و توانست استانداردهای عملکرد دستگاه را در ضخامت‌های نازک‌تر برآورده کند.
نانواکسید روی با استفاده از عوامل جفت‌کننده سیلان حاوی گروه‌های عاملی گلیسیلوکسی و آمینو به صورت شیمیایی اصلاح شد. هر دو نانواکسید روی اصلاح‌شده و اصلاح‌نشده برای آزمایش مقاومت در برابر هوازدگی در پوشش‌های اپوکسی گنجانده شدند. نتایج نشان داد که پوشش‌های اپوکسی حاوی نانواکسید روی اصلاح‌شده با عامل جفت‌کننده سیلان گلیسیلوکسی، تغییرات بسیار کمتری در زاویه تماس، رنگ و گروه‌های کربونیل پس از ۴۵۰ ساعت هوازدگی تسریع‌شده نشان دادند که نشان‌دهنده بهبود قابل توجه مقاومت در برابر هوازدگی در مقایسه با پوشش‌های اپوکسی حاوی نانواکسید روی اصلاح‌نشده است.
روش عامل جفت‌کننده به دلیل فرآیند ساده، اثر اصلاح خوب و هزینه کم، امیدوارکننده‌ترین روش اصلاح است.
با مقایسه روش‌های مختلف اصلاح سطح ذکر شده در بالا، و با در نظر گرفتن اثر اصلاح و سختی آن، می‌توان دریافت که روش استری کردن و روش عامل جفت‌کننده برای اصلاح سطح نانومواد مناسب‌تر هستند.
آلومینای کلسینه شده به یک پشتوانه مهم برای توسعه صنعت سرامیک تبدیل شده است.
آلومینای کلسینه شده، یک ماده غیرفلزی معدنی ساخته شده از آلومینای صنعتی کلسینه شده در دماهای بالا، دارای خواص قابل توجه بسیاری است. اولاً، سختی بالای آن یکی از ویژگی‌های بارز آن است. سختی موس آن به 9 می‌رسد که پس از الماس در رتبه دوم قرار دارد. این امر باعث می‌شود محصولات سرامیکی ساخته شده از آن به طور استثنایی در برابر سایش مقاوم باشند و ظاهر خوب و پایداری ساختاری را در استفاده طولانی مدت حفظ کنند. ثانیاً، مقاومت عالی در برابر دمای بالا دارد و قادر به تحمل دماهای بیش از هزاران درجه سانتیگراد بدون تغییر شکل یا آسیب است، ویژگی‌ای که آن را به ویژه در زمینه سرامیک‌های دمای بالا مفید می‌کند. علاوه بر این، آلومینای کلسینه شده پایداری شیمیایی عالی از خود نشان می‌دهد و مستعد واکنش‌های شیمیایی با سایر مواد نیست و عملکرد پایدار محصولات سرامیکی را تضمین می‌کند.
کارکردهای اصلی آلومینای کلسینه شده در لعاب‌ها
به دلیل خلوص بالا، سختی بالا و پایداری شیمیایی عالی، آلومینای کلسینه شده به طور گسترده در لعاب‌ها، به ویژه برای سرامیک‌های خانگی، سرامیک‌های معماری و سرامیک‌های تخصصی استفاده می‌شود. در کاربردهای عملی، نه تنها سختی و مقاومت در برابر سایش سطح لعاب را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد، خراش‌ها و سایش را در حین استفاده به طور موثر کاهش می‌دهد و در نتیجه عمر مفید محصولات سرامیکی را افزایش می‌دهد؛ بلکه پایداری شیمیایی لعاب را نیز افزایش می‌دهد، خطر خوردگی اسیدی و قلیایی را کاهش می‌دهد و مقاومت در برابر لکه و دوام محصول را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، افزودن مناسب آلومینای کلسینه شده می‌تواند دمای ذوب و ویسکوزیته لعاب را تنظیم کند، سیالیت آن را بهبود بخشد، از عیوبی مانند سوراخ‌های ریز و انقباض لعاب جلوگیری کند و در نتیجه سطح لعاب صاف‌تر و یکنواخت‌تری ایجاد کند. علاوه بر این، خواص نوری منحصر به فرد آن می‌تواند به کنترل براقیت لعاب کمک کند، بافتی ظریف به لعاب‌های مات اضافه کند و یکنواختی براقیت لعاب‌های براق را برای برآورده کردن الزامات طراحی محصولات سرامیکی مختلف افزایش دهد.
در کاربردهای رنگدانه، آلومینای کلسینه شده می‌تواند حامل پایداری برای رنگدانه‌های اکسید فلزی (مانند اکسید آهن و اکسید کبالت) فراهم کند، از تبخیر یا انتشار رنگدانه‌ها در دماهای بالا جلوگیری کند و از شکوفه زدن و محو شدن لعاب جلوگیری کند. به خصوص در لعاب‌های با دمای بالا، می‌تواند غلظت رنگ و ثبات تُن را ثابت نگه دارد و به دستیابی به جلوه‌های تزئینی سرامیکی غنی و ماندگار کمک کند. این یک پشتوانه کلیدی برای ارتقای توسعه لعاب‌های رنگی سرامیکی به سمت عملکرد و پایداری بالا است.
مکانیسم عملکرد اکسیدهای عناصر کمیاب در دیرگدازهای منیزیم-کلسیم
خواص یک عنصر، عملکرد آن را تعیین می‌کند و عناصر خاکی کمیاب نیز از این قاعده مستثنی نیستند. عملکرد آنها ارتباط نزدیکی با خواصشان دارد. عوامل اصلی تعیین‌کننده خواص فیزیکی آنها (مانند سختی، ساختار بلوری و نقطه ذوب) شعاع اتمی و یونی آنها است. فلزات خاکی کمیاب نقاط ذوب بالایی دارند که با افزایش عدد اتمی افزایش می‌یابد، اگرچه این روند خیلی ثابت نیست. عناصر خاکی کمیاب معمولاً الکترون‌های اوربیتال s و d بیرونی خود را از دست می‌دهند و حالت ظرفیت +۳ را تشکیل می‌دهند و در نتیجه اکسیدهای خاکی کمیاب را تشکیل می‌دهند. این حالت ظرفیت +۳ حالت اکسیداسیون مشخصه عناصر خاکی کمیاب است. اکسیدهای خاکی کمیاب دارای نقاط ذوب بیش از ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد هستند و غیرفرار هستند. آنها نیمه‌رساناهای رسانای مختلط با رسانایی الکترونیکی و یونی هستند. رسانایی الکترونیکی به رسانایی الکترون‌ها و حفره‌ها اشاره دارد، در حالی که رسانایی یونی به حرکت یون‌های اکسیژن در جای خالی اکسیژن، اساساً رسانایی یون اکسیژن، اشاره دارد.
علاوه بر استفاده مستقیم از عناصر خاکی کمیاب به عنوان اجزای ماتریس یا مراکز عملکردی بر اساس خواص نوری و مغناطیسی الکترون‌های 4f، می‌توان از خواص شیمیایی آنها، مانند واکنش‌پذیری شیمیایی و شعاع یونی بزرگ آنها، برای اصلاح ریزساختار ماده و در نتیجه بهبود عملکرد آن استفاده کرد. سرامیک‌های نیمه‌هادی کاربردی آلاییده شده با عناصر خاکی کمیاب، نمونه بارزی از این موارد هستند. افزودن اکسیدهای خاکی کمیاب به مواد نسوز نه تنها استحکام و چقرمگی ذاتی ماده را افزایش و بهبود می‌بخشد، بلکه دمای پخت و هزینه‌های تولید را نیز کاهش می‌دهد.
به دلیل غیرسمی بودن، راندمان بالا و خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد، ترکیبات خاکی کمیاب به طور فزاینده‌ای در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند و از کاربردهای اولیه در متالورژی، مهندسی شیمی و سرامیک به کاربردهای پیشرفته در مواد کامپوزیتی با کارایی بالا مانند ذخیره‌سازی هیدروژن و لومینسانس تکامل می‌یابند. تحقیقات در مورد کاربرد اکسیدهای خاکی کمیاب در مواد سرامیکی توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده است. مطالعات نشان داده است که افزودن اکسیدهای خاکی کمیاب به طور قابل توجهی عملکرد مواد سرامیکی را بهبود می‌بخشد و کیفیت و عملکرد آنها را برای کاربردهای متنوع تضمین می‌کند. علاوه بر این، اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب، به عنوان گدازآور، می‌توانند تف‌جوشی را افزایش دهند، ریزساختار سرامیک را بهبود بخشند و آلایش و اصلاح را فراهم کنند.
اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب، به عنوان افزودنی، خواص مواد نسوز را بهبود می‌بخشند و مزایای منحصر به فرد و قابل توجه خود را در افزایش عملکرد و ایجاد عملکردهای جدید نشان می‌دهند. افزودن مقادیر کمی از اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب، چگالی دیرگدازهای منیزیا-کلسیم را افزایش می‌دهد و چگالی و مقاومت در برابر خوردگی آنها را بهبود می‌بخشد.
اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب به عنوان افزودنی در دیرگدازهای منیزیا-کلسیم برای بهبود قابلیت تف‌جوشی، فشردگی، ریزساختار، ترکیب فاز کریستالی، استحکام خمشی در دمای اتاق و چقرمگی شکست آنها استفاده می‌شوند و در نتیجه الزامات عملکرد بازار برای دیرگدازهای منیزیا-کلسیم را برآورده می‌کنند. سه مکانیسم اصلی برای افزودن اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب به مواد نسوز منیزیم-کلسیم وجود دارد. (1) افزودنی‌ها به عنوان گدازآور می‌توانند تف‌جوشی را افزایش دهند. دمای تف‌جوشی مواد نسوز منیزیم-کلسیم به طور کلی بالا است و عوامل زیادی وجود دارند که برای تراکم در طول فرآیند تف‌جوشی مساعد نیستند. افزودن اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب می‌تواند این مشکل را حل کند. با توجه به خواص منحصر به فرد اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب، افزودن اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب به مواد نسوز می‌تواند ساختار داخلی آنها را تغییر دهد و در نتیجه باعث افزایش پخت مواد نسوز منیزیم-کلسیم شود. (2) اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب می‌توانند ریزساختار مواد نسوز منیزیم-کلسیم را بهبود بخشند. افزودن اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب می‌تواند ریزساختار داخلی مواد نسوز را بهبود بخشد. این امر سرعت مهاجرت مرز دانه را کاهش می‌دهد، رشد دانه را مهار می‌کند و منجر به تشکیل یک ساختار متراکم می‌شود. (3) اصلاح دوپینگ اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب. دوپینگ اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب در فرآیند تهیه مواد نسوز باعث تغییر شکل کریستالی نمونه می‌شود و در نتیجه باعث تغییر حجم آن می‌شود. این تغییر می‌تواند مقاومت خمشی و چقرمگی آن را تا حد زیادی بهبود بخشد. تحقیقات در مورد افزودن افزودنی‌ها برای بهبود و بهینه‌سازی خواص مربوط به مواد در فرآیند تهیه مواد نسوز همیشه توجه مردم را به خود جلب کرده است. در تحقیق حاضر، تمرکز اصلی بر این مشکل است که مواد اولیه ماسه کلسیم منیزیم به سختی پخته می‌شوند و به راحتی هیدراته می‌شوند. افزودنی‌های اصلی شامل ZrO2، Fe2O3، Al2O3، اکسیدهای عناصر کمیاب و غیره هستند.
کاربرد سولفات باریم در 10 صنعت
سولفات باریم برای اکثر مردم اصطلاحی ناآشنا است و حتی کسانی که با شیمی آشنا نیستند ممکن است آن را یک ماده شیمیایی خطرناک بدانند. با این حال، سولفات باریم در زندگی روزمره ما همه جا حضور دارد و اغلب به شکل محصولات تولیدی ظاهر می‌شود. به عنوان مثال، اکثر محصولات پلاستیکی در خانه‌های ما، تهویه مطبوع، قطعات پلاستیکی خودرو، کیسه‌های سوپرمارکت، رنگ‌ها، پوشش‌ها و شیشه‌ها ممکن است حاوی سولفات باریم باشند.
کاربرد سولفات باریم در ده صنعت اصلی
1. صنعت نفت: پودر باریت 200 مش و 325 مش برای افزودنی‌های گل حفاری میدان‌های نفت و گاز.
2. صنایع شیمیایی: کارخانه‌های نمک باریت از باریت به عنوان ماده اولیه برای تولید لیتوپون، سولفات باریم رسوبی و کربنات باریم استفاده می‌کنند.
3. صنعت رنگ و پوشش: باریت می‌تواند به عنوان پرکننده در رنگ‌ها و پوشش‌ها استفاده شود و جایگزین مواد اولیه گران‌تری مانند سولفات باریم رسوبی، لیتوپون، دی اکسید تیتانیوم و سیلیس فعال شود. این ماده برای کنترل ویسکوزیته رنگ و دستیابی به رنگ روشن و پایدار مناسب است.
۴. صنعت پلاستیک: باریت می‌تواند به عنوان پرکننده در مواد اولیه پلاستیک ABS استفاده شود و ضمن بهبود استحکام، سفتی و مقاومت در برابر سایش، براقیت بالایی به آن اضافه کند.
۵. صنعت لاستیک: پودر باریت با اندازه مش کمتر از ۵۰۰ می‌تواند به طور گسترده به عنوان پرکننده در محصولات لاستیکی مورد استفاده قرار گیرد و ضمن کاهش هزینه‌ها، سختی، مقاومت در برابر اسید و قلیا و مقاومت در برابر آب را بهبود بخشد. همچنین تقویت عالی برای لاستیک طبیعی و مصنوعی فراهم می‌کند.
۶. صنعت کاغذ: پودر باریت بسیار ریز می‌تواند به عنوان پرکننده و پرکننده پوشش در تخته سفید و کاغذ روکش‌دار برای افزایش سفیدی و پوشش سطح استفاده شود. مشخصات محصول: ۳۲۵ مش، ۴۰۰ مش، ۶۰۰ مش، ۸۰۰ مش، ۱۲۵۰ مش، ۱۵۰۰ مش، ۲۰۰۰ مش، ۲۵۰۰ مش، ۳۰۰۰ مش، ۴۰۰۰ مش، ۵۰۰۰ مش، ۶۰۰۰ مش.
۷. صنعت سیمان
افزودن کانی‌سازهای کامپوزیت باریت و فلوریت به تولید سیمان می‌تواند سفیدی و استحکام سیمان را افزایش دهد. می‌توان از آن برای ساخت سیمان باریم، ملات باریت و بتن باریت استفاده کرد که در ساختمان‌هایی که نیاز به محافظت در برابر اشعه ایکس دارند، قابل استفاده هستند.
۸. صنعت شیشه
می‌توان از آن به عنوان اکسیدزدا، شفاف‌کننده و گدازآور برای افزایش پایداری نوری، براقیت و استحکام شیشه استفاده کرد.
۹. صنعت ساختمان
می‌توان از آن به عنوان سنگدانه بتن، مصالح سنگفرش، برای تقویت لوله‌های مدفون در مناطق باتلاقی و به عنوان جایگزینی برای ورق‌های سربی در محافظ تأسیسات هسته‌ای، نیروگاه‌های اتمی و آزمایشگاه‌های اشعه ایکس استفاده کرد و عمر سطوح جاده‌ها را افزایش داد.
۱۰. صنعت سرامیک
پودر باریت همچنین می‌تواند به عنوان یک پرکننده با کیفیت بالا در سرامیک و سایر صنایع استفاده شود. در حال حاضر، استفاده از سولفات باریم در صنعت سرامیک رو به کاهش است، در حالی که استفاده از پودر ولاستونیت رو به افزایش است.
کاربردهای ده صنعتی که در بالا ذکر شد، همگی برای معیشت مردم حیاتی و ضروری هستند. این موضوع، نقش مهم و طیف گسترده کاربردهای سولفات باریم، یک پودر معدنی غیرفلزی معدنی، را نشان می‌دهد.