Types et applications de la technologie de sphéroïdisation des poudres
La technologie de sphéroïdisation des poudres, composante indispensable de l'industrie et de la science modernes, permet d'améliorer les caractéristiques de surface et les propriétés physiques des poudres, d'optimiser les performances des matériaux et de répondre à des exigences multifonctionnelles. Elle a aujourd'hui pénétré de nombreux domaines, notamment l'industrie pharmaceutique, l'agroalimentaire, la chimie, la protection de l'environnement, les matériaux, la métallurgie et l'impression 3D.
La technologie de préparation de poudres sphériques fait appel à de multiples disciplines, notamment la chimie, la science des matériaux et l'ingénierie. Nous explorerons ci-dessous les différentes technologies impliquées dans la sphéroïdisation des poudres.
Méthode de mise en forme mécanique
Les méthodes de mise en forme mécanique utilisent principalement une série de forces mécaniques, telles que la collision, le frottement et le cisaillement, pour déformer et adsorber plastiquement les particules. Le traitement continu produit des particules plus denses, et les arêtes vives sont progressivement lissées et arrondies par la force d'impact. Les méthodes de mise en forme mécanique utilisent des broyeurs à impact à grande vitesse, des broyeurs à agitation et d'autres équipements de pulvérisation pour produire des poudres fines. Associées au broyage à sec et au broyage humide, ces méthodes permettent d'obtenir des poudres présentant une granulométrie plus fine, une distribution granulométrique plus étroite et un taux de sphéroïdisation précis.
Le façonnage mécanique est largement utilisé pour la sphéroïdisation et le façonnage du graphite naturel, du graphite artificiel et des particules de ciment. Il convient également au concassage et à la pulvérisation de poudres métalliques ou d'alliages cassantes. Le façonnage mécanique utilise une large gamme de matières premières économiques, exploitant pleinement les ressources existantes. Il offre des avantages tels que la simplicité, le respect de l'environnement et l'évolutivité industrielle. Cependant, cette méthode est peu sélective en termes de matériaux et ne peut garantir la sphéricité, la masse volumique après tassement ni le rendement des particules traitées. Par conséquent, elle ne convient qu'à la production de poudres sphériques répondant à des exigences de qualité plus faibles.
Séchage par atomisation
Le séchage par atomisation consiste à atomiser une substance liquide en gouttelettes, qui sont ensuite rapidement évaporées dans un flux d'air chaud et solidifiées en particules solides. Les avantages du séchage par atomisation résident dans sa simplicité et la facilité de contrôle des propriétés du produit. Il est principalement utilisé dans les domaines des explosifs et des batteries militaires.
Réaction chimique en phase gazeuse
La réaction chimique en phase gazeuse utilise des matières premières gazeuses (ou évapore des matières premières solides à l'état gazeux) pour produire le composé souhaité par réaction chimique. Ce composé est ensuite rapidement condensé pour produire des poudres sphériques ultrafines de diverses substances.
Méthode hydrothermale
La méthode hydrothermale utilise un réacteur à haute température et pression, utilisant de l'eau ou un solvant organique comme milieu réactionnel. La granulométrie peut être contrôlée efficacement en ajustant des paramètres tels que la température et le temps hydrothermaux, le pH et la concentration de la solution.
Méthode de précipitation
La méthode de précipitation combine des ions métalliques avec un précipitant spécifique par une réaction chimique en solution, générant de minuscules particules colloïdales semi-solides et formant une suspension stable. Par la suite, en ajustant les conditions de réaction de précipitation, comme le vieillissement statique, l'agitation lente ou la modification de l'environnement de la solution, ces particules colloïdales s'agrègent progressivement et grossissent pour former un précipité sphérique primaire. Le précipité obtenu est ensuite séché ou calciné pour produire une poudre sphérique.
Méthode sol-gel
La méthode sol-gel comprend généralement trois étapes : la préparation du sol, la formation du gel et la formation de la poudre sphérique. Le traitement thermique permet d'améliorer la structure et les propriétés de la poudre sphérique, permettant un contrôle précis de la taille et de la morphologie des particules.
Méthode de microémulsion
La méthode de microémulsion est une méthode de préparation d'un système biphasique liquide-liquide. Elle consiste à ajouter un solvant organique contenant un précurseur dissous à une phase aqueuse pour former une émulsion contenant de minuscules gouttelettes. Les particules sphériques sont ensuite formées par nucléation, coalescence, agglomération et traitement thermique. Les méthodes de microémulsion sont largement utilisées dans la préparation de nanoparticules et de matériaux composites organiques-inorganiques.
Sphéroïdisation par plasma
Avec le développement rapide des hautes technologies et le besoin urgent de nouveaux nanomatériaux et de procédés de préparation innovants, la recherche et l'application de la chimie des plasmas suscitent un intérêt croissant. La sphéroïdisation par plasma, caractérisée par une température et une enthalpie élevées, une réactivité chimique élevée et une atmosphère et une température de réaction contrôlables, est idéale pour la production de poudres sphériques de haute pureté et de petites particules.
D'autres méthodes incluent la déflagration, la pelletisation par flamme de combustion de gaz, l'atomisation par ultrasons, l'atomisation centrifuge, le découpage au fil, le poinçonnage, la refusion et la pulvérisation microporeuse pulsée.
Comment modifier la surface de la poudre de nitrure de silicium ?
La modification de surface de la poudre de nitrure de silicium consiste principalement à traiter la surface de la poudre par diverses méthodes physiques et chimiques afin d'améliorer les propriétés physiques et chimiques des particules.
La modification de surface peut réduire l'attraction mutuelle entre les particules de poudre, permettant une meilleure dispersion de la poudre dans le milieu et améliorant la dispersibilité de la suspension. Elle peut également améliorer l'activité de surface de la poudre de nitrure de silicium, augmentant ainsi sa compatibilité avec d'autres substances et développant ainsi de nouvelles propriétés.
Le principe de base de la modification de surface de la poudre est que l'interaction entre la poudre et le modificateur de surface améliore la mouillabilité de la surface de la poudre et améliore sa dispersion en milieu aqueux ou organique.
1. Modification du revêtement de surface
La technologie de modification du revêtement de surface utilise l'adsorption physique ou chimique pour fixer uniformément le matériau de revêtement à la surface de l'objet revêtu, formant ainsi une couche de revêtement uniforme et complète. La couche de revêtement formée lors du processus de revêtement est généralement monocouche.
Les modifications de revêtement sont généralement classées en inorganiques et organiques. Le revêtement inorganique consiste principalement à déposer des oxydes ou des hydroxydes appropriés à la surface des particules céramiques afin de modifier la poudre. Cette modification n'affecte que les propriétés physiques. Le revêtement organique, quant à lui, consiste à sélectionner des substances organiques comme matériaux de revêtement. Ces substances organiques se lient aux groupes présents à la surface des particules de poudre et s'adsorbent sélectivement sur la surface, conférant à la poudre les propriétés de la couche de revêtement.
Cette technologie de modification est économique, simple d'utilisation et facile à contrôler, mais les résultats sont souvent limités.
2. Traitement acide et alcalin de surface
Les procédés de moulage de céramique nécessitent généralement des barbotines céramiques à forte teneur en solides et à faible viscosité. La densité de charge à la surface de la poudre influence significativement la rhéologie et la dispersibilité de la barbotine. Le lavage de la surface de la poudre céramique (traitements acide et alcalin) peut modifier les propriétés de charge de surface de la poudre. Comme son nom l'indique, cette méthode de modification consiste à mélanger et à laver soigneusement la poudre de nitrure de silicium avec des solutions acides ou alcalines de concentrations variables.
Parallèlement, un traitement alcalin à une certaine concentration peut également réagir avec la surface des poudres céramiques. Les recherches de Wang Yongming et al. ont montré que le lavage alcalin peut réduire la teneur en silanol à la surface de la poudre de carbure de silicium, diminuant ainsi son degré d'oxydation, modifiant la répulsion électrostatique entre les particules et améliorant les propriétés rhéologiques de la barbotine.
3. Modification du dispersant
Compte tenu des différences entre les différents types de poudres céramiques, le choix d'un dispersant approprié ou la conception d'un nouveau dispersant joue un rôle clé dans l'augmentation de la teneur en solides de la barbotine. Le type et la quantité de dispersant ajouté peuvent modifier significativement l'effet sur les propriétés céramiques.
Les dispersants présentent généralement des structures hydrophiles et hydrophobes, et c'est par l'interaction entre ces groupes hydrophiles et hydrophobes qu'ils ajustent les propriétés de dispersion de la barbotine céramique. Les dispersants comprennent des tensioactifs ou des électrolytes polymères, notamment des tensioactifs cationiques et anioniques.
Les électrolytes polymères comprennent l'acide polyvinylsulfonique, l'acide polyacrylique, la polyvinylpyridine et la polyéthylèneimine. Les dispersants peuvent subir des réactions d'adsorption à la surface de la poudre, notamment chimiques et physiques, en exploitant les forces interparticulaires (forces de van der Waals et répulsion électrostatique) et le potentiel d'effets stériques.
4. Modification de l'hydrophobicité de surface
La modification de l'hydrophobicité de surface consiste à convertir les groupes hydroxyles de la poudre céramique en groupes hydrophobes, tels que des groupes hydrocarbonés, des groupes alkyles à longue chaîne et des groupes cycloalkyles. Ces groupes organiques se lient à la surface de la poudre céramique, exerçant un fort effet hydrophobe, permettant une meilleure dispersion dans le milieu de dispersion et empêchant l'agglomération.
Lorsque des polymères sont greffés à la surface d'une poudre de nitrure de silicium, les longues chaînes polymères se fixent à la surface de la poudre, tandis que les chaînes hydrophiles situées aux autres extrémités s'étendent dans le milieu aqueux. Tout au long du processus de dispersion, les particules de poudre subissent à la fois une répulsion interparticulaire et un encombrement stérique créé par les longues chaînes polymères, ce qui permet une meilleure dispersion de la suspension.
Les quatre domaines d'application innovants du kaolin et leurs perspectives
Le kaolin, un minéral silicate lamellaire 1:1, possède de nombreuses propriétés, notamment sa dispersibilité, sa plasticité, sa frittabilité, ses propriétés réfractaires, son échange ionique et sa stabilité chimique, ce qui le rend largement utilisé dans divers domaines industriels. Actuellement, ses applications se concentrent principalement dans les industries traditionnelles telles que la céramique, la papeterie et les réfractaires.
1. Composites hautes performances
L'utilisation du kaolin dans les composites peut améliorer les propriétés de surface (telles que la capacité d'adsorption) des matériaux.
Les avantages du kaolin dans les composites comprennent l'amélioration de l'adsorption, des propriétés électriques, de la stabilité thermique/résistance au feu et de la stabilité mécanique. Cependant, ses applications pratiques présentent encore des difficultés, telles qu'une dispersibilité et une compatibilité interfaciale insuffisantes du kaolin dans les composites, ce qui peut limiter son efficacité.
Les futures recherches portent sur le développement de technologies de modification de surface du kaolin plus efficaces et plus écologiques afin d'améliorer sa dispersibilité et sa compatibilité avec les matériaux matriciels ; L'exploration de la conception de composites multifonctionnels à base de kaolin pour répondre aux besoins d'applications spécifiques, telles que la récupération d'énergie, le traitement des eaux usées et la sécurité incendie, ainsi que l'augmentation de la surface spécifique et du nombre de sites actifs du kaolin grâce à des procédés nanométriques et à des manipulations moléculaires, améliorant ainsi ses performances. Par ailleurs, des efforts doivent être déployés pour promouvoir des procédés de production économiques et respectueux de l'environnement pour les composites à base de kaolin, et pour intégrer des technologies de fabrication intelligentes afin de permettre des applications à grande échelle.
2. Matériaux poreux : Domaine des tamis moléculaires
Les tamis moléculaires sont des matériaux à structure poreuse ordonnée qui adsorbent sélectivement différentes molécules. Ils sont largement utilisés dans le raffinage du pétrole, la pétrochimie, l'agriculture et le traitement des eaux. Le kaolin, un minéral naturel courant et peu coûteux, riche en silice et en alumine, peut être directement utilisé pour synthétiser des tamis moléculaires zéolithiques. Comparé aux sources traditionnelles de silicium et d'aluminium potentiellement toxiques, le kaolin est non seulement respectueux de l'environnement, mais il réduit également les coûts et simplifie le processus de synthèse.
Le kaolin active non seulement l'activité des silicates et de l'alumine par des prétraitements simples comme la calcination et la lixiviation acide, mais améliore également les performances des tamis moléculaires grâce à la manipulation d'agents de structuration et à l'optimisation de la température.
3. Biomédecine
Le kaolin est un minéral argileux nanosilicate caractérisé par une excellente biocompatibilité, une surface spécifique élevée, une inertie chimique, des propriétés colloïdales et une thixotropie. Dans le domaine biomédical, la recherche s'oriente progressivement des applications de base comme vecteur de médicaments vers des applications biomédicales plus complexes telles que la thérapie génique et la bio-impression 3D. Les applications du kaolin se sont étendues du simple support physique et de la libération de médicaments à des systèmes complexes favorisant la croissance cellulaire et le transfert de gènes.
4. Stockage d'énergie
Le stockage d'énergie a toujours été un sujet d'actualité. La recherche de solutions de stockage d'énergie efficaces et durables est l'une des principales pistes pour relever les défis énergétiques mondiaux. Le kaolin, grâce à sa structure unique et à sa multifonctionnalité, est devenu un candidat idéal pour le stockage d'énergie. Le kaolin est utilisé dans divers dispositifs de stockage d'énergie, tels que les batteries lithium-ion, les supercondensateurs et les piles à combustible microbiennes.
Les perspectives d'application futures du kaolin sont les suivantes :
a. La recherche et le développement de matériaux innovants se concentreront sur les technologies de nanotraitement et de modification de surface du kaolin, afin d'améliorer ses performances en électronique, en stockage d'énergie et dans d'autres domaines. Par exemple, des nanocomposites à base de kaolin peuvent être développés en les combinant à des polymères ou à des matériaux à base de carbone pour améliorer la résistance mécanique et la conductivité.
b. Le kaolin a le potentiel d'apporter des solutions aux problèmes environnementaux tels que le traitement de l'eau et la dépollution des sols, notamment en ce qui concerne l'élimination des métaux lourds et l'adsorption des polluants.
c. L'intégration de technologies interdisciplinaires favorisera l'application innovante du kaolin dans le domaine biopharmaceutique, en intégrant la biotechnologie pour développer des systèmes d'administration de médicaments ou des supports bioactifs.
d. Face à la demande croissante du marché en matériaux respectueux de l'environnement, les entreprises doivent renforcer leur collaboration avec les institutions de R&D afin de transformer leurs découvertes innovantes en produits compétitifs, tels que des céramiques kaoliniques durables et résistantes aux hautes températures ou des composites légers.
e. Avec l'accent mis à l'échelle mondiale sur le développement durable, le soutien politique et la faisabilité économique influenceront l'orientation de la R&D et des applications du kaolin. Par conséquent, l'industrie doit surveiller de près la disponibilité des ressources et l'optimisation des coûts, tout en renforçant la gestion des risques et en améliorant la compétitivité mondiale pour faire face à un environnement international complexe.
Sulfate de baryum modifié par SDS pour usage cosmétique
Les opacifiants cosmétiques sont des ingrédients clés pour obtenir des effets tels que la dissimulation des imperfections et l'éclat de la peau ; leur dispersibilité et leur stabilité influencent directement les performances et la durée de conservation du produit.
Le sulfate de baryum est largement utilisé en cosmétique grâce à son indice de réfraction élevé, sa bonne opacité et sa stabilité chimique. Cependant, sa tendance à former des agrégats limite son utilisation en cosmétique.
Cette étude analyse la dispersibilité et la stabilité du sulfate de baryum dans les matrices cosmétiques. Pour ce faire, du sulfate de baryum ultrafin a été préparé par broyage mécanique, et les processus de modification de surface et de dispersion ont été optimisés.
1. Méthodes de modification
(1) Prétraitement du sulfate de baryum
Le sulfate de baryum de qualité industrielle a été séché et tamisé (maille de 200 µm) par lots. Pour chaque lot, 100 g de sulfate de baryum ont été mélangés avec 0,5 g d'acide stéarique sur un broyeur à rouleaux pendant 3 min. Les rouleaux ont ensuite été réglés à l'écartement minimal et le mélange a été passé 6 fois, puis une dernière fois avec un écartement de 2 mm, ce qui a permis d'obtenir un mélange homogène. Le sulfate de baryum mélangé a été séché à 80 °C pendant 4 h pour obtenir le produit prétraité.
(2) Modification de surface
Dans 100 g de formulation de base, différentes proportions de sulfate de baryum prétraité ont été ajoutées et soumises à une modification de surface à 60 °C. Pendant la modification, 1,5 g de dodécylsulfate de sodium ont été ajoutés et le mélange a été soigneusement homogénéisé. Les rouleaux ont été réglés à l'écartement minimal et le mélange a été passé 6 fois avant d'être aplati, ce qui a donné le sulfate de baryum modifié.
(3) Préparation de la dispersion
Le sulfate de baryum modifié a été dispersé dans la formulation de base à différents ratios par agitation mécanique et dispersion ultrasonique. Plus précisément, une certaine quantité de sulfate de baryum modifié a été pesée, ajoutée à de l'eau déminéralisée et dispersée par ultrasons pendant 10 min. La formulation de base a ensuite été ajoutée lentement sous agitation, et le mélange a été agité pendant 30 min supplémentaires.
2. Processus de modification optimal et évaluation des performances
(1) Processus de modification optimal
Des recherches systématiques ont permis de déterminer les conditions optimales : le sulfate de baryum de qualité industrielle a été tamisé (maille de 200 µm) et séché à 60 °C pendant 4 h. Le sulfate de dodécyle de sodium a été utilisé comme agent de modification de surface à raison de 1,5 % du poids du sulfate de baryum, la modification étant effectuée à 60 °C pendant 2 heures. Lors du processus de dispersion, la concentration de sulfate de baryum était maintenue entre 15 % et 20 %, la température de dispersion à 60 °C, le temps de dispersion à 15 minutes et le pH du système à 8,0-8,5. Une agitation mécanique combinée à une dispersion par ultrasons a été utilisée.
Dans ces conditions, la dispersion obtenue présentait les caractéristiques suivantes : une distribution granulométrique uniforme avec une taille de particule moyenne de 0,8 à 1,2 µm ; une bonne stabilité avec absence de sédimentation significative pendant 7 jours ; et une excellente couvrance avec un film uniforme et continu.
(2) Évaluation des applications cosmétiques
La dispersion de sulfate de baryum obtenue a été testée dans des formulations cosmétiques : l'ajout de 15 % de cette dispersion à une crème de fond de teint a permis d'obtenir une bonne couvrance et une texture agréable, avec une bonne compatibilité avec la matrice et sans séparation de phase.
L'ajout de 20 % de la dispersion à un correcteur de teint a considérablement amélioré la couvrance, tout en maintenant une bonne stabilité et en offrant un effet naturel et durable.
Ces résultats démontrent que la dispersion de sulfate de baryum obtenue par ce procédé optimisé présente d'excellentes performances en applications cosmétiques. ALPA est spécialisée dans le broyage et la classification ultra-fins pour optimiser la valeur de vos produits. Spécialiste du broyage et de la classification ultra-fins de la baryte.
Le potentiel de la montmorillonite dans le domaine des énergies renouvelables
La montmorillonite (MMT) est un minéral silicaté à structure feuilletée. Dans sa structure, les atomes d'aluminium à valence élevée des octaèdres aluminium-oxygène peuvent être facilement remplacés par des atomes à valence inférieure, ce qui crée une charge négative entre les couches. Pour maintenir la stabilité de la structure interlamellaire, la montmorillonite adsorbe des cations tels que Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ et K+ présents dans son environnement. Cette caractéristique confère à la montmorillonite d'excellentes propriétés d'adsorption et d'échange cationique. Cette structure unique et cette capacité d'échange offrent à la montmorillonite un important potentiel d'application dans le domaine des nouvelles technologies énergétiques.
Matériaux pour les batteries au lithium
(1) Pour les électrolytes à l'état solide
De nombreuses études ont montré que la montmorillonite (MMT), en tant que nouveau matériau de remplissage inorganique, améliore considérablement la conductivité ionique et les propriétés mécaniques des électrolytes polymères solides (SPE).
(2) Formation de couches SEI artificielles
Dans les films de couche interfaciale électrolytique solide artificielle (SEI), la montmorillonite-lithium (Li-MMT) confère de bonnes propriétés mécaniques à la couche SEI et crée des canaux de transport des ions Li+, ce qui contribue à limiter la formation de dendrites de lithium. Grâce aux canaux de transport rapides des ions Li+ dans la Li-MMT, une cellule Li-LiFePO4 assemblée avec une couche SEI Li-MMT présente d'excellentes performances de décharge et une capacité résiduelle élevée de 90,6 % après 400 cycles à 1C.
(3) Optimisation des séparateurs
La MMT est utilisée pour optimiser les séparateurs grâce à ses excellentes propriétés d'adsorption. Comparé aux séparateurs PE classiques, le séparateur modifié à la Li-MMT présente une concentration plus élevée d'ions Li+ à l'interface électrode/électrolyte, ce qui réduit le dépôt sélectif de lithium, atténue la densité de courant locale et limite la formation de dendrites.
(4) Optimisation des électrolytes liquides
Dans les systèmes de batteries au lithium métallique, la montmorillonite présente une affinité plus forte pour le lithium métallique que les électrolytes PEO, avec un potentiel zêta de +26 mV, ce qui favorise l'enrichissement des ions lithium près de la surface de la montmorillonite. Avec l'adsorption et la séparation des ions lithium, le surpotentiel augmente légèrement à -57,7 mV, ce qui favorise la migration des ions lithium depuis la montmorillonite vers la surface du collecteur de courant en cuivre. (5) Matériaux supports
Supercondensateurs
Matériaux modèles
Certains minéraux naturels présentent des morphologies spécifiques, comme l'attapulsite, la montmorillonite, la halloysite et la diatomite, qui sont couramment utilisés comme matrices pour la synthèse de matériaux carbonés poreux à morphologies spécifiques. De plus, des polymères conducteurs à morphologies spécifiques peuvent être synthétisés par la méthode des matrices minérales. (2) Matériaux supports d'électrode
Pour obtenir des matériaux actifs à morphologies spécifiques, tout en améliorant la capacité capacitive et la stabilité cyclique, des matériaux actifs peuvent être déposés sur la surface de minéraux tels que la montmorillonite et la halloysite.
Matériaux de stockage du méthane
Actuellement, les chercheurs explorent la technologie de stockage du gaz naturel par adsorption, économique, pratique et sûre, comme alternative aux technologies traditionnelles de gaz naturel comprimé et de gaz naturel liquéfié. Des études ont montré que les argiles jouent un rôle important dans la formation et le développement des gisements de gaz de schiste et possèdent des capacités de stockage de gaz.
Matériaux électrocatalytiques
L'électrocatalyse est un type de catalyse qui accélère les réactions de transfert de charge à l'interface électrode/électrolyte, et est largement utilisée dans des domaines tels que l'électrolyse de l'eau, la production d'oxygène et la réduction des NOx. Les argiles, comme la montmorillonite, sont utilisées comme supports pour les composants des réactions photoélectrocatalytiques afin de prévenir l'agglomération des particules, d'améliorer la stabilité des molécules sensibilisatrices et d'augmenter la sélectivité de la réaction.
Matériaux de stockage thermique à changement de phase
Les matériaux de stockage thermique à changement de phase (PCM) sont une nouvelle catégorie de matériaux fonctionnels qui utilisent l'absorption ou la libération de chaleur lors du changement de phase pour le stockage et la restitution d'énergie thermique. Les minéraux naturels jouent un rôle important dans ce domaine. D'une part, ils constituent d'excellents matériaux inorganiques à changement de phase et peuvent être transformés en matériaux à hautes performances après ajout d'agents nucléateurs et de stabilisants. D'autre part, leur structure poreuse constitue un excellent support pour ces matériaux.
Modification du revêtement en poudre de dioxyde de titane
La modification de surface de la poudre de dioxyde de titane (blanc de titane) est une méthode importante pour améliorer ses performances (dispersibilité, résistance aux intempéries, brillance et stabilité chimique). Les techniques de modification de surface courantes peuvent être classées en trois catégories : revêtement inorganique, revêtement organique et revêtement composite. Voici une classification détaillée et une brève introduction de ces méthodes :
Modification par revêtement inorganique
Cette méthode consiste à recouvrir la surface des particules de dioxyde de titane d'une couche d'oxydes ou de sels inorganiques, formant ainsi une barrière physique pour améliorer sa stabilité chimique et ses propriétés optiques.
1. Revêtement d'oxyde
Principe : Les hydrates d'oxyde métallique (SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂...) se déposent sur la surface des particules de dioxyde de titane, formant une couche de revêtement uniforme.
Processus : On utilise généralement une méthode de dépôt en phase liquide : des sels métalliques (silicate de sodium, sulfate d'aluminium...) sont ajoutés à la suspension de dioxyde de titane, et le pH est ajusté pour précipiter les hydrates d'oxyde métallique sur la surface.
2. Revêtement d'oxyde composite
Principe : Revêtement avec deux oxydes métalliques ou plus (Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂...), combinant les avantages de chaque composant.
Avantages : Performances globales supérieures ; par exemple, le revêtement Al₂O₃-SiO₂ améliore simultanément la dispersibilité et la résistance aux intempéries, adapté aux revêtements automobiles et aux revêtements de tôles.
3. Revêtement de sel
Principe : Utilisation de sels métalliques (phosphates, silicates, sulfates...) pour former une couche de sel insoluble sur la surface des particules de dioxyde de titane.
Modification par revêtement organique
Cette méthode consiste à faire réagir des composés organiques avec les groupes hydroxyle à la surface du dioxyde de titane, formant une couche moléculaire organique pour améliorer sa compatibilité avec les milieux organiques.
1. Revêtement par agent de couplage
Principe : Grâce à la structure amphiphile des agents de couplage (silanes, titanates, aluminates...), une extrémité se lie aux groupes hydroxyle du dioxyde de titane, tandis que l'autre réagit avec la matrice organique (résine, polymère).
Fonctions :
Agents de couplage silaniques : Améliorent la dispersibilité du dioxyde de titane en milieu aqueux, utilisés couramment dans les peintures et encres à base d'eau.
Agents de couplage titaniques/aluminiques : Améliorent la compatibilité en milieu huileux (plastiques, caoutchouc), réduisant l'agglomération lors du traitement. 2. Revêtement à base de tensioactifs
Principe : Les tensioactifs (acides gras, sulfonates, sels d'ammonium quaternaire, etc.) adhèrent à la surface du dioxyde de titane par adsorption physique ou réaction chimique, formant une couche chargée ou hydrophobe.
3. Revêtement polymère
Principe : Greffage de polymères (acrylates, résines époxy, siloxanes, etc.) sur la surface du dioxyde de titane par polymérisation.
Fonctions :
Forme une couche épaisse pour une meilleure protection contre les agressions chimiques et une résistance accrue aux intempéries et aux sollicitations mécaniques.
Améliore la compatibilité avec certaines résines, adaptée aux composites et revêtements haute performance.
4. Revêtement organosiliceux
Principe : Utilisation de la faible énergie de surface des polysiloxanes (huile de silicone, résine silicone, etc.) pour recouvrir les particules de dioxyde de titane.
Fonctions : Réduit la tension superficielle, améliore la dispersibilité et la lubrification ; utilisé couramment dans les encres et les cosmétiques.
Modification de revêtements composites
En combinant les avantages des revêtements inorganiques et organiques, un procédé de revêtement double (séquentiel ou simultané) offre des performances complémentaires.
1. Revêtement inorganique-organique séquentiel
Procédé : Formation d'une barrière physique avec des oxydes inorganiques (SiO₂), suivie d'une modification organique avec des agents de couplage ou des polymères.
Caractéristiques : Equilibre résistance aux intempéries et compatibilité ; adapté aux revêtements architecturaux haute performance et aux peintures automobiles OEM.
2. Revêtement inorganique-organique simultané
Procédé : Agents de revêtement inorganiques et organiques introduits simultanément dans le même système réactionnel pour former une structure cœur-coquille.
Caractéristiques : Adhérence plus forte et performances nettement améliorées ; adapté aux applications haut de gamme (revêtements aéronautiques, nanocomposites).
Autres technologies de revêtement
1. Revêtement à base de nanoparticules
Principe : Utilisation de nanoparticules (nano-SiO₂, nano-ZnO, etc.) pour une meilleure protection UV et une meilleure transparence ; utilisé couramment dans les cosmétiques solaires et les revêtements optiques.
2. Microencapsulation
Principe : Encapsulation des particules de dioxyde de titane dans des microcapsules polymères ; libération contrôlée du dioxyde de titane (température, pH, etc.) ; adapté aux revêtements intelligents et aux systèmes à libération contrôlée.
Le choix du procédé de revêtement dépend de l'application (revêtements, plastiques, encres, cosmétiques) et des exigences de performance (résistance aux intempéries, dispersibilité, compatibilité, etc.).
Six principales méthodes de modification de l'oxyde de zinc nano
Le nanooxyde de zinc est un nouveau type de matériau chimique inorganique fin et fonctionnel. Grâce à sa petite taille de particules et à sa grande surface spécifique, il possède des propriétés physicochimiques uniques en chimie, optique, biologie et électronique. Largement utilisé dans les additifs antimicrobiens, les catalyseurs, le caoutchouc, les colorants, les encres, les revêtements, le verre, les céramiques piézoélectriques, l'optoélectronique et les applications chimiques courantes, il est très prometteur en termes de développement et d'utilisation.
Cependant, en raison de sa grande surface spécifique et de sa forte énergie de surface spécifique, le nanooxyde de zinc présente une forte polarité de surface, est sujet à l'auto-agglomération et est difficile à disperser uniformément dans les milieux organiques, ce qui limite considérablement son effet nanométrique. Par conséquent, la dispersion et la modification de surface des poudres de nanooxyde de zinc sont des traitements essentiels avant l'application des nanomatériaux dans des matrices.
1. Modification des tensioactifs
La modification des tensioactifs implique l'interaction électrostatique des tensioactifs pour former un revêtement organique à la surface des nanomatériaux, améliorant ainsi leur compatibilité avec les matrices organiques.
Bien que la modification des tensioactifs soit un procédé simple, son efficacité est généralement faible, ce qui rend difficile la formation d'un revêtement stable et robuste à la surface des nanomatériaux.
2. Modification mécanochimique
La modification mécanochimique utilise des forces mécaniques pour modifier les propriétés physiques et chimiques des nanomatériaux, améliorant ainsi leur affinité et leur réactivité avec d'autres substances.
Cependant, la modification mécanochimique est généralement longue et donne généralement de mauvais résultats pour les nanomatériaux.
3. Modification à haute énergie
La modification à haute énergie consiste à polymériser des monomères de composés organiques par plasma ou par rayonnement, qui recouvrent ensuite la surface du nanomatériau.
La modification à haute énergie donne généralement de meilleurs résultats que les deux méthodes précédentes, mais elle présente des inconvénients tels qu'une consommation énergétique élevée et une complexité technique.
4. Modification par estérification
L'estérification est une méthode de modification de surface qui utilise les groupes acide carboxylique de modificateurs tels que les acides gras supérieurs ou les acides organiques insaturés pour réagir avec les groupes hydroxyles à la surface d'un nanomatériau afin d'obtenir une estérification.
La méthode d'estérification est simple, mais son effet de modification est faible et nécessite généralement l'utilisation d'un agent de couplage.
5. Greffage de polymères
Le greffage de polymères consiste d'abord à greffer un monomère polymère à la surface d'un nanomatériau, puis à initier une réaction de polymérisation pour allonger la chaîne carbonée, et enfin à laisser le polymère recouvrir l'ensemble du nanomatériau.
La méthode de greffage de polymères est complexe à mettre en œuvre et son effet de modification est influencé par divers facteurs, ce qui complique son application à grande échelle.
6. Modification par agent de couplage
Un agent de couplage est basé sur un élément silicium ou métallique, avec deux groupes distincts de chaque côté pouvant se connecter à des matrices inorganiques et organiques. Ces trois composants agissent ensemble pour réaliser la modification chimique du nanomatériau. Le nano-oxyde de zinc a été modifié avec un agent de couplage silane APS. Le nano-oxyde de zinc, modifié et non modifié, a été dispersé dans de l'éthanol anhydre pour préparer des encres d'impression destinées à être utilisées comme matériaux de couche de transport d'électrons dans les cellules photovoltaïques. Les performances des deux encres ont ensuite été comparées. Les résultats ont montré que le nano-oxyde de zinc modifié était mieux dispersé dans l'éthanol anhydre et restait aggloméré pendant 12 mois. Le matériau de la couche de transport d'électrons préparé avec cet agent présentait une efficacité de transfert d'électrons supérieure et pouvait répondre aux normes de performance des dispositifs à des épaisseurs plus fines.
Le nano-oxyde de zinc a été modifié chimiquement à l'aide d'agents de couplage silane portant des groupes fonctionnels glycyloxy et amino. Du nano-oxyde de zinc, modifié et non modifié, a été incorporé à des revêtements époxy pour des tests de résistance aux intempéries. Les résultats ont montré que les revêtements époxy incorporant du nano-oxyde de zinc modifié par l'agent de couplage glycyloxy silane présentaient des variations significativement plus faibles de l'angle de contact, de la couleur et des groupes carbonyle après 450 heures de vieillissement accéléré, démontrant une résistance aux intempéries nettement supérieure à celle des revêtements époxy contenant du nano-oxyde de zinc non modifié.
La méthode de l'agent de couplage est la méthode de modification la plus prometteuse en raison de sa simplicité, de son bon effet de modification et de son faible coût.
En comparant les différentes méthodes de modification de surface mentionnées ci-dessus, et en considérant à la fois l'effet et la difficulté de modification, on peut voir que la méthode d'estérification et la méthode de l'agent de couplage sont plus adaptées à la modification de surface des nanomatériaux.
L'alumine calcinée est devenue un support important pour le développement de l'industrie céramique
L'alumine calcinée, un matériau inorganique non métallique fabriqué à partir d'alumine industrielle calcinée à haute température, possède de nombreuses propriétés remarquables. Tout d'abord, sa dureté élevée est l'une de ses caractéristiques distinctives. Sa dureté Mohs atteint 9, la surpassant seulement après le diamant. Cela confère aux produits céramiques qui en sont issus une résistance exceptionnelle à l'usure, préservant un bel aspect et une stabilité structurelle à long terme. Ensuite, elle possède une excellente résistance aux températures élevées, capable de supporter des températures dépassant des milliers de degrés Celsius sans déformation ni dommage, une caractéristique qui la rend particulièrement utile dans le domaine des céramiques haute température. De plus, l'alumine calcinée présente une excellente stabilité chimique et est insensible aux réactions chimiques avec d'autres substances, garantissant ainsi la stabilité des performances des produits céramiques.
Principales fonctions de l'alumine calcinée dans les émaux
Grâce à sa grande pureté, sa grande dureté et son excellente stabilité chimique, l'alumine calcinée est largement utilisée dans les émaux, notamment pour les céramiques domestiques, architecturales et de spécialité. Dans les applications pratiques, elle améliore non seulement significativement la dureté et la résistance à l'usure de la surface de l'émail, réduisant efficacement les rayures et l'usure pendant l'utilisation, prolongeant ainsi la durée de vie des produits céramiques ; elle améliore également la stabilité chimique de l'émail, réduisant ainsi le risque de corrosion acide et alcaline, et améliorant la résistance aux taches et la durabilité du produit. De plus, l'ajout approprié d'alumine calcinée permet d'ajuster la température de fusion et la viscosité de l'émail, améliorant ainsi sa fluidité, évitant les défauts tels que les piqûres et le retrait de l'émail, et produisant une surface plus lisse et plus uniforme. De plus, ses propriétés optiques uniques permettent de contrôler la brillance de l'émail, ajoutant une texture délicate aux émaux mats et améliorant l'uniformité de la brillance des émaux brillants, répondant ainsi aux exigences de conception de divers produits céramiques.
Dans les applications pigmentaires, l'alumine calcinée peut servir de support stable aux pigments d'oxydes métalliques (tels que l'oxyde de fer et l'oxyde de cobalt), inhiber la volatilisation ou la diffusion des pigments à haute température et empêcher l'éblouissement et la décoloration de l'émail. En particulier dans les émaux haute température, il permet de fixer la concentration et la consistance des couleurs, contribuant ainsi à des effets décoratifs céramiques riches et durables. Il constitue un atout majeur pour le développement d'émaux céramiques colorés offrant des performances et une stabilité élevées.
Mécanisme d'action des oxydes de terres rares dans les réfractaires magnésiens et calciques
Les propriétés d'un élément déterminent ses performances, et les terres rares ne font pas exception. Leurs performances sont étroitement liées à leurs propriétés. Les principaux facteurs déterminant leurs propriétés physiques (telles que la dureté, la structure cristalline et le point de fusion) sont leurs rayons atomique et ionique. Les terres rares ont des points de fusion élevés qui augmentent avec le numéro atomique, bien que cette tendance ne soit pas très constante. Les terres rares perdent généralement leurs électrons des orbitales s et d externes, formant un état de valence +3, formant ainsi des oxydes de terres rares. Cet état de valence +3 est l'état d'oxydation caractéristique des terres rares. Les oxydes de terres rares ont des points de fusion supérieurs à 2000 °C et sont non volatils. Ce sont des semi-conducteurs conducteurs mixtes, dotés d'une conductivité électronique et ionique. La conductivité électronique désigne la conduction des électrons et des trous, tandis que la conductivité ionique désigne le mouvement des ions oxygène dans les lacunes d'oxygène, essentiellement la conduction des ions oxygène.
Outre l'utilisation directe des terres rares comme composants de matrice ou centres fonctionnels, basée sur les propriétés optiques et magnétiques des électrons 4f, leurs propriétés chimiques, telles que leur réactivité chimique et leur grand rayon ionique, peuvent également être exploitées pour modifier la microstructure du matériau et ainsi améliorer ses performances. Les céramiques semi-conductrices fonctionnelles dopées aux terres rares en sont un exemple majeur. L'ajout d'oxydes de terres rares aux matériaux réfractaires permet non seulement d'améliorer la résistance et la ténacité intrinsèques du matériau, mais aussi de réduire les températures de frittage et les coûts de production.
Grâce à leur non-toxicité, leur rendement élevé et leurs propriétés physiques et chimiques uniques, les composés de terres rares sont de plus en plus utilisés dans un large éventail d'applications, allant des applications primaires en métallurgie, génie chimique et céramique à des applications avancées dans les matériaux composites hautes performances tels que le stockage de l'hydrogène et la luminescence. Les recherches sur l'application des oxydes de terres rares aux matériaux céramiques ont suscité un vif intérêt. Des études ont montré que l'ajout d'oxydes de terres rares améliore significativement les performances des matériaux céramiques, garantissant leur qualité et leurs performances pour diverses applications. De plus, les oxydes de terres rares, utilisés comme fondants, peuvent favoriser le frittage, améliorer la microstructure de la céramique et assurer le dopage et la modification.
Les oxydes de terres rares, utilisés comme additifs, améliorent les propriétés des matériaux réfractaires, démontrant ainsi leurs avantages uniques et significatifs en termes d'amélioration des performances et de nouvelles fonctions. L'ajout de petites quantités d'oxydes de terres rares augmente la densité des réfractaires magnéso-calciques, améliorant ainsi leur densité et leur résistance à la corrosion.
Les oxydes de terres rares sont utilisés comme additifs dans les réfractaires magnéso-calciques pour améliorer leur frittabilité, leur compacité, leur microstructure, la composition de leur phase cristalline, leur résistance à la flexion à température ambiante et leur ténacité à la rupture, répondant ainsi aux exigences de performance du marché pour les réfractaires magnéso-calciques. Il existe trois principaux mécanismes d'ajout d'oxydes de terres rares aux matériaux réfractaires magnéso-calciques. (1) Les additifs utilisés comme fondants peuvent favoriser le frittage. La température de frittage des matériaux réfractaires magnésium-calcium est généralement élevée, et de nombreux facteurs nuisent à la densification lors du frittage. L'ajout d'oxydes de terres rares peut résoudre ce problème. Grâce à leurs propriétés uniques, ces oxydes peuvent modifier la structure interne des matériaux réfractaires, favorisant ainsi leur frittage. (2) Les oxydes de terres rares peuvent améliorer la microstructure des matériaux réfractaires magnésium-calcium. Cela réduit la vitesse de migration des joints de grains, inhibe la croissance des grains et favorise la formation d'une structure dense. (3) Modification par dopage des oxydes de terres rares. Le dopage des oxydes de terres rares lors de la préparation des matériaux réfractaires modifie la forme cristalline de l'échantillon, entraînant ainsi une modification de son volume. Cette modification peut améliorer considérablement sa résistance à la flexion et sa ténacité. Les recherches sur l'ajout d'additifs pour améliorer et optimiser les propriétés des matériaux lors de la préparation des réfractaires ont toujours retenu l'attention. Les recherches actuelles se concentrent principalement sur la difficulté de frittage et d'hydratation des sables calciques magnésiens. Les principaux additifs utilisés sont le ZrO₂, le Fe₂O₃, l'Al₂O₃, les oxydes de terres rares, etc.
Application du sulfate de baryum dans 10 industries
Le sulfate de baryum est un terme peu familier pour la plupart des gens, et même ceux qui ne sont pas familiers avec la chimie peuvent le considérer comme un produit chimique dangereux. Pourtant, le sulfate de baryum est omniprésent dans notre quotidien, souvent présent sous forme de produits manufacturés. Par exemple, la plupart des produits en plastique utilisés dans nos maisons, les climatiseurs, les pièces automobiles en plastique, les sacs de supermarché, les peintures, les revêtements et le verre peuvent tous contenir du sulfate de baryum.
Application du sulfate de baryum dans dix industries majeures
1. Industrie pétrolière : poudre de barytine de 200 et 325 mesh pour les additifs des boues de forage des champs pétroliers et gaziers.
2. Industrie chimique : les usines de sel de barytine utilisent la barytine comme matière première pour produire du lithopone, du sulfate de baryum précipité et du carbonate de baryum.
3. Industrie des peintures et revêtements : la barytine peut être utilisée comme charge dans les peintures et revêtements, remplaçant ainsi des matières premières plus coûteuses telles que le sulfate de baryum précipité, le lithopone, le dioxyde de titane et la silice activée. Elle permet de contrôler la viscosité des peintures et d'obtenir une couleur vive et stable.
4. Industrie des plastiques : La barytine peut être utilisée comme charge dans les matières premières plastiques ABS, ajoutant un brillant éclatant tout en améliorant la solidité, la rigidité et la résistance à l'usure.
5. Industrie du caoutchouc : La poudre de barytine d'une granulométrie inférieure à 500 peut être largement utilisée comme charge dans les produits en caoutchouc, réduisant les coûts tout en améliorant la dureté, la résistance aux acides et aux alcalis, et la résistance à l'eau. Elle constitue également un excellent renfort pour le caoutchouc naturel et synthétique.
6. Industrie du papier : La poudre de barytine très fine peut être utilisée comme charge et comme couche de revêtement dans les tableaux blancs et le papier couché pour améliorer la blancheur et la couverture de surface. Spécifications du produit : 325 mesh, 400 mesh, 600 mesh, 800 mesh, 1250 mesh, 1500 mesh, 2000 mesh, 2500 mesh, 3000 mesh, 4000 mesh, 5000 mesh, 6000 mesh.
7. Industrie du ciment
L'ajout de minéralisants composites à base de barytine et de fluorine à la production de ciment permet d'en augmenter la blancheur et la résistance. Elle peut être utilisée pour la fabrication de ciment baryté, de mortier et de béton baryté, utilisés dans les bâtiments nécessitant une protection contre les rayons X.
8. Industrie du verre
Elle peut être utilisée comme désoxydant, clarifiant et fondant pour augmenter la stabilité optique, la brillance et la résistance du verre.
9. Industrie de la construction
Elle peut être utilisée comme granulat pour béton, matériau de pavage, pour renforcer les canalisations enterrées dans les zones marécageuses et comme substitut aux feuilles de plomb dans les blindages des installations nucléaires, des centrales atomiques et des laboratoires de radiologie, prolongeant ainsi la durée de vie des revêtements routiers.
10. Industrie de la céramique
La poudre de barytine peut également être utilisée comme charge de haute qualité dans l'industrie de la céramique et d'autres industries. Actuellement, l'utilisation du sulfate de baryum dans l'industrie de la céramique diminue, tandis que celle de la poudre de wollastonite augmente.
Les applications dans les dix secteurs mentionnés ci-dessus sont toutes cruciales et essentielles à la subsistance des populations. Cela démontre le rôle important et le large éventail d'applications du sulfate de baryum, une poudre minérale inorganique non métallique.