Гидроксид алюминия: почему его нельзя использовать напрямую?
Неорганические амфотерные гидроксиды – гидроксид алюминия (Al(OH)3, ATH) – обладают высокоэффективными антипиреновыми, дымоподавляющими и наполняющими свойствами. При термическом разложении он не выделяет токсичных или коррозионных газов и может использоваться в качестве антипирена в полимерных органических материалах. В настоящее время использование ATH в качестве антипирена растет с каждым годом, и ATH стал важнейшим неорганическим антипиреном во всем мире.
Сначала модификация, затем антипирен
Как правило, производители наполняют горючие материалы порошкообразным гидроксидом алюминия (ATH) или покрывают поверхность горючих материалов антипиреном, содержащим ATH, для улучшения огнестойкости полимерных органических материалов.
Кроме того, поскольку ATH содержит три гидроксильные группы (-OH), его поверхность асимметрична и высокополярна. Поверхностные гидроксильные группы обладают гидрофильными и олеофобными свойствами, что делает их склонными к агломерации при добавлении в полимерные органические материалы, что напрямую влияет на механические свойства материала.
Поэтому гидроксид алюминия необходимо модифицировать перед использованием.
Модификация поверхности гидроксида алюминия
Модификация поверхности — одна из ключевых технологий оптимизации свойств неорганических порошковых материалов, играющая решающую роль в улучшении эксплуатационных характеристик и ценности неорганических порошков. Поверхностная модификация неорганических частиц заключается в адсорбции или инкапсуляции одного или нескольких веществ на поверхности неорганических частиц с образованием композитной структуры типа «ядро-оболочка». Этот процесс, по сути, представляет собой композитный процесс с использованием различных веществ.
Типы и характеристики модификаторов
Существует множество типов модификаторов поверхности порошков, но не существует стандартного метода их классификации. Модификаторы для модификации неорганических порошков в основном делятся на две категории: поверхностно-активные вещества и связующие агенты.
(1) Связующие агенты
Связующие агенты подходят для различных композитных систем, состоящих из органических полимеров и неорганических наполнителей. После модификации поверхности связующими агентами повышается совместимость и диспергируемость неорганического материала с полимером. Поверхность неорганического материала становится олеофильной и гидрофобной, что увеличивает его сродство к органическому полимеру.
Связующие агенты разнообразны и могут быть разделены на четыре основные категории в зависимости от их химической структуры и состава: органические комплексы, силаны, титанаты и алюминаты.
(2) Поверхностно-активные вещества
Поверхностно-активные вещества – это вещества, которые могут существенно изменять поверхностные или межфазные свойства материала при использовании в очень малых количествах. К ним относятся анионные, катионные и неионогенные поверхностно-активные вещества, такие как высшие жирные кислоты и их соли, спирты, амины и сложные эфиры. Их молекулярная структура характеризуется длинноцепочечной алкильной группой на одном конце, подобной структуре полимерных молекул, и полярными группами, такими как карбоксильные, эфирные и аминогруппы, на другом конце.
Как можно определить эффект модификации?
Надежен ли модифицированный гидроксид алюминия? Насколько он надежен? Для этого необходимо оценить и охарактеризовать эффект модификации.
В настоящее время огнезащитное действие антипиренов на основе гидроксида алюминия можно оценить прямыми методами, такими как определение кислородного индекса материала, индекса горючести в вертикальной и горизонтальной плоскостях, дымообразования, термогравиметрического анализа и механических свойств при горении; или косвенно, путем измерения поглощения порошка, индекса активации и величины поглощения масла для косвенной оценки эффекта модификации.
(1) Поглощение
Немодифицированный гидроксид алюминия имеет на своей поверхности гидрофильные и олеофобные гидроксильные группы, что позволяет ему растворяться в воде или свободно оседать на дно. После модификации поверхность гидроксида алюминия становится гидрофильной и олеофобной, а его поверхностные свойства полностью противоположны свойствам немодифицированной формы. Он не растворяется и не осаждаться на дно, а может только плавать на поверхности. Однако модифицированный ATH хорошо растворяется или осаждаться в маслах (например, в жидком парафине).
(2) Индекс активации
Немодифицированный ATH обладает очень сильной полярностью благодаря природе своих поверхностных гидроксильных групп (-ОН), что позволяет ему свободно растворяться или осаждаться в воде с аналогичными свойствами. После модификации ATH образует слой липофильных групп, прикреплённых к его поверхности, с инкапсулированными внутри поверхностными гидроксильными группами (-ОН). Чем лучше эффект модификации, тем выше степень покрытия поверхности ATH липофильными группами и тем больше модифицированного ATH плавает на поверхности воды.
(3) Коэффициент абсорбции масла
Для измерения коэффициента абсорбции масла необходимо добавить касторовое масло к ATH и перемешать. До модификации ATH, благодаря своим гидрофильным и олеофобным свойствам, требует большего количества касторового масла для образования сфер. После модификации поверхности он становится гидрофильным и олеофобным, что улучшает диспергируемость АТН в полимере и уменьшает пустоты, образующиеся при агломерации порошка.
Понимание сверхпрочных материалов — NdFeB
Спеченный NdFeB, как самый ранний и наиболее универсальный метод получения, способствовал быстрому развитию материалов для постоянных магнитов на основе редкоземельных элементов. Спеченный NdFeB, обладающий сильной магнитной анизотропией и низкой стоимостью исходного сырья, стал объектом исследований во многих странах. Спеченные материалы для постоянных магнитов на основе NdFeB производятся методом порошковой металлургии. Выплавленный сплав превращается в порошок и прессуется в прессовку в магнитном поле. Затем прессовка спекается в инертном газе или вакууме для уплотнения. Кроме того, для повышения коэрцитивной силы магнита обычно требуется термическая обработка старением. Технологический процесс выглядит следующим образом: подготовка сырья → плавка → приготовление порошка → прессование → спекание и отпуск → магнитный контроль → шлифование → механическая обработка → гальванопокрытие → готовое изделие.
В отличие от спеченного NdFeB, отдельные частицы порошка магнитной связки должны обладать достаточно высокой коэрцитивной силой. Если многофазная структура и микроструктура, необходимые для высокой коэрцитивной силы, будут серьезно повреждены в процессе приготовления порошка, изготовление качественных магнитных связей станет невозможным. Поэтому, используя метод быстрозакаленного магнитного порошка методом спиннингования расплава, горячий расплавленный сплав сначала заливается или распыляется на высокоскоростной вращающийся медный диск с водяным охлаждением для формирования тонкой полосы толщиной 100 мкм.
Изготовление горячепрессованных/горячедеформированных магнитов требует использования быстрозакаленного магнитного порошка Nd-Fe-B, а не непосредственно литейных сплавов. Применение условий перезакалки (быстрого охлаждения) позволяет получить более мелкие зерна или даже аморфный магнитный порошок. В процессе горячего прессования и горячей деформации зерна нагреваются и растут до размера, близкого к однодоменному, что обеспечивает высокую коэрцитивную силу готового магнита. Процесс горячего прессования включает в себя помещение магнитного порошка в форму и приложение давления при высокой температуре для превращения его в изотропный магнит с высокой плотностью.
Применение
Двигатели с постоянными магнитами
В двигателях с постоянными магнитами использование постоянных магнитов для возбуждения не только снижает энергопотребление и экономит энергию, но и улучшает характеристики двигателя.
Магнитные машины
Магнитные машины работают за счет силы отталкивания одноименных полюсов или силы притяжения разноименных полюсов магнитов. Для этого требуются постоянные магниты с высокой остаточной намагниченностью и высокой собственной коэрцитивной силой. Кроме того, благодаря принципу притяжения разноименных полюсов, магнитные приводы могут быть построены с использованием бесконтактной передачи, что обеспечивает такие преимущества, как отсутствие трения и шума. Поэтому высокопроизводительные магниты Nd-Fe-B широко используются в приводных компонентах горнодобывающей техники, магнитных подшипниках гироскопов и турбин спутников и космических аппаратов, а также в подшипниках роторов центробежных насосов для поддержания работы сердца в медицинском оборудовании.
Авиакосмическая промышленность
Редкоземельные постоянные магниты незаменимы для запуска ракет, спутникового позиционирования и коммуникационных технологий. Высокоэффективный спеченный Nd-Fe-B особенно полезен в микроволновых системах передачи/приема радиолокационных станций. Используя комбинированное воздействие постоянного и переменного микроволнового магнитного поля, возникает ферромагнитный резонанс, что позволяет изготавливать микроволновые циркуляторы, изоляторы и т. д. Бытовая электроника
Бытовая электроника 3C всегда была важной отраслью переработки спеченного NdFeB. Спеченный NdFeB обладает такими характеристиками, как высокая магнитная энергия, что соответствует тенденциям миниатюризации, снижения веса и уменьшения толщины изделий бытовой электроники 3C. Он широко используется в таких электронных компонентах, как VCM, линейные двигатели мобильных телефонов, камеры, наушники, динамики и приводы шпинделей.
Переработка отходов неодима и железа и бора: сокровищница, которую нельзя пропустить
Постоянные магниты из неодима и железа (NdFeB) широко используются в ветроэнергетике, новых энергетических автомобилях и электронных изделиях благодаря своим превосходным магнитным свойствам, что дало им титул «Короля магнитов». Однако процент брака в процессе производства магнитов NdFeB достигает 30%, что в сочетании с их ограниченным сроком службы приводит к образованию большого количества отходов NdFeB.
Эти отходы содержат до 30% редкоземельных элементов, что значительно превышает содержание в первичных редкоземельных рудах, что делает их высокоценным вторичным ресурсом. Эффективное извлечение редкоземельных элементов из отходов NdFeB имеет решающее значение для обеспечения безопасности ресурсов редкоземельных элементов, снижения загрязнения окружающей среды и содействия устойчивому развитию.
Характеристики и источники отходов NdFeB
Отходы NdFeB в основном образуются из лома, бракованной продукции и снятых с производства электронных изделий, содержащих магниты. Их химический состав сложен; Помимо основных редкоземельных элементов Nd и Pr, для повышения коэрцитивной силы часто добавляют такие элементы, как Dy и Tb, а для улучшения общих характеристик – такие элементы, как Co, Al и Cu. В зависимости от содержания редкоземельных элементов (РЗЭ) отходы NdFeB можно разделить на три категории: низкое содержание редкоземельных элементов (РЗЭ < 20%), среднее содержание редкоземельных элементов (20–30%) и высокое содержание редкоземельных элементов (> 30%).
В настоящее время процессы переработки отходов NdFeB в основном подразделяются на пирометаллургические, гидрометаллургические и новые технологии переработки.
(I) Пирометаллургические процессы переработки
Пирометаллургическая переработка заключается в отделении редкоземельных элементов от железа посредством высокотемпературных реакций. Основные методы включают селективное окисление, разделение хлорированием, жидкое легирование и разделение шлаком и металлом.
Селективное окисление основано на том, что редкоземельные элементы имеют гораздо более высокое сродство к кислороду, чем железо. При высоких температурах редкоземельные элементы селективно окисляются с образованием оксидов, которые затем отделяются от металлического железа. Накамото и соавторы успешно получили смешанные оксиды редкоземельных элементов с чистотой более 95% и степенью извлечения более 99% благодаря точному контролю парциального давления кислорода.
Разделение хлорированием основано на сильном сродстве редкоземельных элементов к хлору. Хлорирующие агенты, такие как NH4Cl, FeCl2 или MgCl2, используются для перевода редкоземельных элементов в хлориды перед разделением. Уда использовал FeCl2 в качестве хлорирующего агента, реагирующего при 800 °C, что позволило достичь степени извлечения редкоземельных элементов 95,9% и чистоты продукта более 99%.
Метод жидкого сплавления основан на разнице в сродстве редкоземельных элементов к железу к другим металлам для эффективного обогащения и разделения редкоземельных элементов и железа. Редкоземельный элемент Nd может образовывать различные легкоплавкие сплавы с Ag, Mg и т. д.
Метод разделения шлака и металла основан на том, что редкоземельные элементы в отходах NdFeB легче соединяются с кислородом. Все металлы в отходах NdFeB преобразуются в оксиды металлов. Одновременно, под действием высокой температуры шлакообразующего агента, оксиды железа преобразуются в металлическое железо за счет регулирования восстановительных условий.
(II) Процесс мокрого восстановления
Мокрое восстановление в настоящее время является наиболее распространенным методом, включающим в себя, главным образом, метод полного растворения, метод избирательного растворения в соляной кислоте, метод осаждения двойной солью и метод экстракции растворителем.
(III) Новые процессы переработки
Новые технологии переработки направлены на решение проблем высокого энергопотребления и высокого уровня загрязнения, связанных с традиционными методами, включая водородный взрыв, биовыщелачивание и электрохимические методы.
Сравнение различных процессов переработки и их воздействия на окружающую среду
Пирометаллургические процессы характеризуются низкой производительностью и большой производительностью, но высоким энергопотреблением и сложностью разделения отдельных редкоземельных элементов; гидрометаллургические процессы характеризуются высокой степенью извлечения и чистотой продукта, но высоким расходом кислоты и высокими затратами на очистку сточных вод; новые процессы, такие как биовыщелачивание и электрохимические методы, являются экологически безопасными, но в основном находятся на стадии лабораторных исследований и пока не получили широкого распространения.
С точки зрения воздействия на окружающую среду, традиционные процессы переработки часто используют сильные кислоты, сильные щелочи и высокие температуры, что приводит к образованию большого количества жидких отходов и газообразных отходов, увеличивая нагрузку на окружающую среду. Поэтому разработка экологичных и экономичных процессов переработки имеет решающее значение.
Переработка отходов NdFeB — ключевой способ решения проблемы дефицита редкоземельных ресурсов и снижения загрязнения окружающей среды. Благодаря технологическим инновациям и соответствующему политическому руководству отрасль переработки NdFeB будет развиваться в направлении экологичности, низкой стоимости, коротких процессов и высокой степени извлечения, что придаст новый импульс устойчивому развитию.
Применение и разработка неорганических порошковых материалов в резиновой промышленности
Каучук широко используется в транспорте, машиностроении, электронике, оборонной промышленности и других отраслях народного хозяйства. Однако каучук имеет и существенные недостатки, такие как слабые межмолекулярные силы, большой свободный объем и плохая способность к самокристаллизации, что приводит к низким прочности и модулю упругости, а также к низкой износостойкости резиновых материалов. Поэтому для удовлетворения требований этих применений необходимо добавлять неорганические неметаллические наполнители.
В целом, неорганические неметаллические наполнители в резине выполняют следующие функции: армирование, наполнение (увеличение объема) и снижение стоимости, улучшение технологических характеристик, регулирование вулканизационных характеристик и придание специальных свойств.
Наиболее часто используемые неорганические неметаллические минеральные наполнители в резине
(1) Диоксид кремния
В настоящее время диоксид кремния является вторым по распространенности армирующим агентом в резиновой промышленности после технического углерода. Химическая формула диоксида кремния — SiO₂·nH₂O. Структура его частиц содержит множество пустот. Когда эти пустоты находятся в диапазоне от 2 до 60 нм, они легко соединяются с другими полимерами, что является основной причиной использования диоксида кремния в качестве армирующего агента. В качестве армирующего агента диоксид кремния может значительно повысить износостойкость и сопротивление разрыву материалов. Он также может значительно улучшить механические свойства шин и широко используется в транспортных средствах, приборах, аэрокосмической промышленности и других областях.
(2) Легкий карбонат кальция
Легкий карбонат кальция — один из первых и наиболее широко используемых наполнителей в резиновой промышленности. Добавление большого количества легкого карбоната кальция в резину позволяет увеличить объем продукта, тем самым экономя дорогостоящий натуральный каучук и снижая затраты. Резина с легким карбонатом кальция для наполнения может обладать более высокой прочностью на разрыв, износостойкостью и прочностью на разрыв, чем вулканизаты из чистого каучука. Он оказывает значительное армирующее действие как на натуральный, так и на синтетический каучук, а также может регулировать консистенцию. В кабельной промышленности он может обеспечить определенный уровень изоляции. (3) Каолин
Каолинит — это водный алюмосиликат, распространенный глинистый минерал. Его практическое применение в резине повышает эластичность, барьерные свойства, относительное удлинение и прочность на изгиб. Добавление модифицированного каолинита в бутадиен-стирольный каучук (SBR) значительно улучшает относительное удлинение, прочность на разрыв и твердость по Шору, а также продлевает срок его службы.
(4) Глина
Глина может добавляться в процессе производства шин в зависимости от требований технологического процесса. Глина используется в качестве наполнителя для снижения затрат. Однако для улучшения сцепления с резиной необходимо использовать активированную глину. Активированная или модифицированная глина может частично заменить технический углерод в составе резиновой смеси.
Исследования показывают, что с увеличением количества глины твердость, 300%-ное напряжение растяжения и прочность на растяжение резиновой смеси несколько снижаются, но это можно компенсировать корректировкой системы вулканизации. Использование глины в составе протектора после оптимизации системы также может снизить сопротивление качению.
(5) Сульфат бария
Он может эффективно повышать устойчивость к старению и атмосферным воздействиям резиновых изделий, таких как резина для шин и ремни. Кроме того, он может улучшить гладкость поверхности резиновых изделий. В качестве порошкообразного наполнителя для резины он не только повышает скорость нанесения порошка, но и обладает очевидными преимуществами с точки зрения экономической эффективности.
(6) Тальк
Тальк обычно подразделяется на промышленный тальк общего назначения и ультратонкий тальк. Первый, как наполнитель для резины, не играет армирующей роли и оказывает незначительное влияние на улучшение физических свойств резины. Поэтому промышленный тальк общего назначения часто используется в качестве разделительного агента. Ультратонкий тальк, напротив, обладает хорошим армирующим эффектом. При использовании в качестве наполнителя для резины прочность резины на разрыв равна прочности, создаваемой диоксидом кремния.
(7) Графит
Графит относится к пластинчатым силикатным неметаллическим минералам и обладает хорошей теплопроводностью, электропроводностью и смазывающей способностью. Использование графита в качестве наполнителя резины осуществляется по технологии, аналогичной той, которая используется для монтмориллонита: графит измельчается до наночастиц с помощью специальной технологии. Сочетание этих наночастиц с резиновой матрицей значительно улучшает различные функциональные свойства резины. Например, значительно улучшаются электропроводность, теплопроводность, воздухонепроницаемость и механические свойства.
Типы и области применения технологии сфероидизации порошков
Технология сфероидизации порошков, неотъемлемая часть современной промышленности и науки, позволяет улучшить поверхностные характеристики и физические свойства порошков, оптимизировать эксплуатационные характеристики материалов и удовлетворить многофункциональные требования. В настоящее время технология сфероидизации порошков проникла во многие области, включая фармацевтику, пищевую промышленность, химическую промышленность, охрану окружающей среды, материаловедение, металлургию и 3D-печать.
Технология получения сферических порошков включает в себя множество дисциплин, включая знания в области химии, материаловедения и машиностроения. Ниже мы рассмотрим различные технологии, используемые в сфероидизации порошков.
Механический метод формования
Механические методы формования в основном используют ряд механических сил, таких как столкновение, трение и сдвиг, для пластической деформации и адсорбции частиц. Непрерывная обработка приводит к образованию более плотных частиц, а острые края постепенно сглаживаются и закругляются под действием ударной силы. Механические методы формования используют высокоскоростные ударные мельницы, мельницы с перемешиванием сред и другое измельчающее оборудование для получения тонкодисперсных порошковых материалов. В сочетании с сухим и мокрым измельчением эти методы позволяют получать порошковые материалы с более мелким размером частиц, более узким распределением размеров и определенной степенью сфероидизации.
Механическое формование широко применяется для сфероидизации и формования частиц природного и искусственного графита, а также цемента. Оно также подходит для дробления и измельчения хрупких металлических и сплавных порошков. Механическое формование позволяет использовать широкий спектр недорогого сырья, полностью используя имеющиеся ресурсы. Этот метод обладает такими преимуществами, как простота, экологичность и промышленная масштабируемость. Однако этот метод не очень селективен к используемым материалам и не может гарантировать сферичность, насыпную плотность и выход готовых частиц. Поэтому он подходит только для получения сферических порошков с более низкими требованиями к качеству.
Распылительная сушка
Распылительная сушка заключается в распылении жидкого вещества в капли, которые затем быстро испаряются в потоке горячего воздуха, затвердевая в твердые частицы. Преимуществами распылительной сушки являются простота и легкость управления свойствами продукта. В основном он используется в области взрывчатых веществ военного назначения и аккумуляторов.
Газофазная химическая реакция
Газофазная химическая реакция использует газообразное сырье (или испаряет твердое сырье в газообразное состояние) для получения желаемого соединения посредством химической реакции. Это соединение затем быстро конденсируется для получения ультрадисперсных сферических порошков различных веществ.
Гидротермальный метод
Гидротермальный метод использует реактор, работающий в условиях высокой температуры и давления, с водой или органическим растворителем в качестве реакционной среды для химической реакции. Размер частиц можно эффективно контролировать, регулируя такие параметры, как температура гидротермальной обработки, время гидротермальной обработки, pH и концентрация раствора.
Метод осаждения
Метод осаждения заключается в соединении ионов металлов со специфическим осадителем посредством химической реакции в растворе, в результате чего образуются мельчайшие полутвердые коллоидные частицы и формируется стабильная суспензия. Затем, путем дальнейшего регулирования условий реакции осаждения, таких как статическое старение, медленное перемешивание или изменение среды раствора, эти коллоидные частицы постепенно агрегируют и приобретают сферическую форму, образуя первичный сферический осадок. Полученный осадок затем сушат или прокаливают для получения сферического порошкообразного материала.
Золь-гель метод
Золь-гель метод обычно включает три стадии: приготовление золя, образование геля и образование сферического порошка. Термическая обработка может дополнительно улучшить структуру и свойства сферического порошка, позволяя точно контролировать размер и морфологию частиц.
Метод микроэмульсии
Метод микроэмульсии представляет собой метод приготовления двухфазной системы «жидкость-жидкость». Этот метод включает добавление органического растворителя, содержащего растворенный прекурсор, к водной фазе для образования эмульсии, содержащей мельчайшие капли. Затем в результате нуклеации, коалесценции, агломерации и термической обработки образуются сферические частицы. Микроэмульсионные методы широко используются для получения наночастиц и органо-неорганических композитных материалов.
Плазменная сфероидизация
В связи с быстрым развитием высоких технологий и острой потребностью в новых наноматериалах и новых процессах получения, исследования и применение плазмохимии привлекают всё большее внимание. Плазменная сфероидизация, характеризующаяся высокой температурой, высокой энтальпией, высокой химической активностью и контролируемыми атмосферой и температурой реакции, идеально подходит для получения высокочистых мелкодисперсных сферических порошков.
Другие методы включают дефлаграцию, гранулирование в газовом пламени, ультразвуковое распыление, центробежное распыление, резку проволокой, штамповку и переплавку, а также импульсное микропористое распыление.
Как модифицировать поверхность порошка нитрида кремния?
Модификация поверхности порошка нитрида кремния в первую очередь включает обработку поверхности порошка различными физическими и химическими методами для улучшения физических и химических свойств частиц.
Модификация поверхности позволяет снизить взаимное притяжение между частицами порошка, что способствует лучшему диспергированию порошка в среде и улучшает диспергируемость порошковой суспензии. Она также может повысить поверхностную активность порошка нитрида кремния, повышая его совместимость с другими веществами и, таким образом, приводя к появлению новых свойств.
Основной принцип модификации поверхности порошка заключается в том, что взаимодействие порошка с модификатором поверхности улучшает смачиваемость поверхности порошка и улучшает его диспергирование в водных или органических средах.
1. Модификация поверхностного покрытия
Технология модификации поверхностного покрытия использует физическую или химическую адсорбцию для равномерного закрепления материала покрытия на поверхности покрываемого объекта, образуя равномерный и сплошной слой покрытия. Слой покрытия, образующийся в процессе нанесения покрытия, обычно представляет собой монослой.
Модификация покрытий обычно подразделяется на неорганическую и органическую. Нанесение неорганических покрытий, в первую очередь, предполагает нанесение соответствующих оксидов или гидроксидов на поверхность керамических частиц для модификации порошка, но эта модификация влияет только на физические свойства. Нанесение органических покрытий, в свою очередь, предполагает выбор органических веществ в качестве материалов покрытия. Эти органические вещества связываются с группами на поверхности частиц порошка и селективно адсорбируются на поверхности, придавая порошку свойства слоя покрытия.
Эта технология модификации отличается низкой стоимостью, простотой и лёгкостью контроля, но конечные результаты часто ограничены.
2. Обработка поверхности кислотой и щелочью
Для процессов формования керамики обычно требуются керамические шликеры с высоким содержанием твёрдых частиц и низкой вязкостью. Плотность заряда на поверхности порошка существенно влияет на реологические свойства и дисперсность шликера. Промывка поверхности керамического порошка (кислотная и щелочная обработка) может изменить свойства поверхностного заряда порошка. Как следует из названия, этот метод модификации включает тщательное перемешивание и промывку порошка нитрида кремния растворами кислот или щелочей различной концентрации.
В то же время щелочная обработка определенной концентрации также может вступать в реакцию с поверхностью керамических порошков. Исследования Ван Юнмина и соавторов показали, что щелочная промывка может снизить содержание силанолов на поверхности порошка карбида кремния, снижая его степень окисления, изменяя электростатическое отталкивание между частицами и улучшая реологические свойства суспензии.
3. Модификация диспергатора
Учитывая различия между различными типами керамических порошков, выбор подходящего диспергатора или разработка нового играет ключевую роль в увеличении содержания твердой фазы в керамической суспензии. Тип и количество добавляемого диспергатора могут существенно влиять на свойства керамики.
Диспергаторы, как правило, имеют как гидрофильную, так и гидрофобную структуру, и именно посредством взаимодействия между этими гидрофильными и гидрофобными группами они регулируют дисперсионные свойства керамической суспензии. К диспергаторам относятся поверхностно-активные вещества или полимерные электролиты, причем поверхностно-активные вещества бывают катионными и анионными.
Полимерные электролиты включают поливинилсульфоновую кислоту, полиакриловую кислоту, поливинилпиридин и полиэтиленимин. Диспергаторы могут вступать в реакции адсорбции с поверхностью порошка, включая химическую и физическую адсорбцию, используя межчастичные силы (силы Ван-дер-Ваальса и электростатическое отталкивание) и потенциальные стерические эффекты.
4. Модификация гидрофобности поверхности
Модификация гидрофобности поверхности включает преобразование гидроксильных групп керамического порошка в гидрофобные группы, такие как углеводородные, длинноцепочечные алкильные и циклоалкильные. Эти органические группы связываются с поверхностью керамического порошка, оказывая сильный гидрофобный эффект, что обеспечивает лучшее диспергирование в дисперсионной среде и предотвращает агломерацию.
При прививке полимеров на поверхность порошка нитрида кремния длинные полимерные цепи прикрепляются к поверхности порошка, в то время как гидрофильные цепи на других концах выходят в водную среду. На протяжении всего процесса диспергирования частицы порошка испытывают как межчастичное отталкивание, так и стерические препятствия, создаваемые длинными полимерными цепями, что приводит к лучшему диспергированию суспензии.
Четыре инновационных направления применения каолина и перспективы
Каолин, слоистый силикатный минерал с соотношением фаз 1:1, обладает многочисленными свойствами, включая дисперсность, пластичность, спекаемость, огнеупорность, ионообменную способность и химическую стабильность, что обеспечивает его широкое применение в различных отраслях промышленности. В настоящее время каолин применяется в основном в традиционных отраслях, таких как производство керамики, бумаги и огнеупоров.
1. Высокоэффективные композиты
Применение каолина в композитах позволяет улучшить поверхностные свойства материалов (например, адсорбционную способность).
Преимущества каолина в композитах включают повышение адсорбционных свойств, улучшение электрических свойств, повышение термостойкости/огнестойкости и улучшение механической стабильности. Однако практическое применение по-прежнему сталкивается с трудностями, такими как недостаточная дисперсность и совместимость каолина с поверхностью раздела, что может ограничивать его эффективность.
Будущие направления исследований включают разработку более эффективных и экологичных технологий модификации поверхности каолина для улучшения его дисперсности и совместимости с матричными материалами; Исследование разработки многофункциональных композитов на основе каолина для удовлетворения потребностей конкретных областей применения, таких как сбор энергии, очистка сточных вод и пожарная безопасность; а также дальнейшее увеличение удельной площади поверхности каолина и количества активных центров посредством наномасштабной обработки и молекулярной манипуляции, что позволит повысить его эксплуатационные характеристики. Кроме того, необходимо прилагать усилия для продвижения низкозатратных и экологически безопасных процессов производства каолиновых композитов, а также для интеграции интеллектуальных производственных технологий для достижения широкомасштабного применения.
2. Пористые материалы: молекулярные сита
Молекулярные сита – это материалы с упорядоченной структурой пор, которые избирательно адсорбируют различные молекулы. Они широко используются в нефтепереработке, нефтехимии, сельском хозяйстве и водоподготовке. Каолин, распространенный и недорогой природный минерал, богатый кремнеземом и глиноземом, может быть непосредственно использован для синтеза цеолитных молекулярных сит. По сравнению с традиционными и потенциально токсичными источниками кремния и алюминия, каолин не только экологичен, но и снижает затраты и упрощает процесс синтеза.
Каолин не только активирует активность силикатов и оксида алюминия посредством простых предварительных обработок, таких как прокаливание и кислотное выщелачивание, но и дополнительно повышает эффективность молекулярных сит за счет манипуляций с темплатирующим агентом и оптимизации температуры.
3. Биомедицина
Каолин — это тип наносиликатного глинистого минерала, характеризующийся превосходной биосовместимостью, высокой удельной площадью поверхности, химической инертностью, коллоидными свойствами и тиксотропией. В области биомедицины исследования постепенно смещаются от базовых применений в качестве носителей лекарств к более сложным биомедицинским приложениям, таким как генная терапия и 3D-биопечать. Области применения каолина расширились от простых физических носителей и высвобождения лекарств до сложных систем, стимулирующих рост клеток и доставку генов.
4. Хранение энергии
Хранение энергии всегда было актуальной темой. Поиск эффективных и устойчивых решений для хранения энергии — один из ключевых путей решения глобальных энергетических проблем. Каолин, благодаря своей уникальной структуре и многофункциональности, стал идеальным кандидатом для хранения энергии. Каолин используется в различных устройствах накопления энергии, таких как литий-ионные аккумуляторы, суперконденсаторы и микробные топливные элементы.
Перспективы применения каолина в будущем заключаются в следующем:
a. Исследования и разработки инновационных материалов будут сосредоточены на технологиях нанообработки каолина и модификации его поверхности с целью повышения его эффективности в электронике, системах накопления энергии и других областях. Например, нанокомпозиты на основе каолина могут быть разработаны путем их комбинирования с полимерами или углеродными материалами для повышения механической прочности и проводимости.
b. Каолин обладает потенциалом для решения таких экологических проблем, как очистка воды и рекультивация почв, в частности, для удаления тяжелых металлов и адсорбции загрязняющих веществ.
c. Интеграция междисциплинарных технологий будет способствовать инновационному применению каолина в области биофармацевтики, включая биотехнологии для разработки систем доставки лекарств или биоактивных каркасов.
d. В связи с растущим рыночным спросом на экологически чистые материалы компаниям следует укреплять сотрудничество с научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими организациями для преобразования инновационных разработок в конкурентоспособную продукцию, такую как высокотемпературная, прочная каолиновая керамика или лёгкие композиты.
e. В условиях глобального акцента на устойчивое развитие, политическая поддержка и экономическая целесообразность будут влиять на направление исследований и разработок в области каолина и его применения. Поэтому отрасли необходимо внимательно следить за наличием ресурсов и оптимизировать затраты, одновременно усиливая управление рисками и повышая глобальную конкурентоспособность для соответствия сложной международной обстановке.
Sulfato de bário modificado por SDS para uso cosmético
Os opacificantes cosméticos são ingredientes essenciais para conseguir efeitos como ocultar manchas e clarear a pele; a sua dispersibilidade e estabilidade afetam diretamente o desempenho e a vida útil do produto.
O sulfato de bário é muito utilizado em cosméticos devido ao seu elevado índice de refração, boa opacidade e estabilidade química. No entanto, a sua tendência para a aglomeração limita a sua aplicação em cosméticos.
Este estudo investiga a dispersibilidade e a estabilidade do sulfato de bário em matrizes cosméticas, preparando sulfato de bário ultrafino através da moagem de esferas e otimizando os processos de modificação de superfície e dispersão.
1. Métodos de Modificação
(1) Pré-tratamento do Sulfato de Bário
O sulfato de bário de grau industrial foi seco e peneirado num crivo de malha 200 em lotes. Para cada lote, 100 g de sulfato de bário foram misturados com 0,5 g de ácido esteárico num moinho de dois rolos durante 3 min. Os rolos foram então ajustados para a abertura mínima e passados 6 vezes, seguindo-se uma passagem final com uma abertura de 2 mm, completando a mistura inicial. O sulfato de bário misturado foi seco a 80 °C durante 4 h para obter o produto pré-tratado.
(2) Modificação da Superfície
Utilizando 100 partes da formulação base, foram adicionadas diferentes proporções do sulfato de bário pré-tratado e submetidas a modificação da superfície a 60 °C. Durante a modificação, foram adicionadas 1,5 partes de dodecil sulfato de sódio e a mistura foi completamente misturada. Os rolos foram ajustados para a abertura mínima e passados 6 vezes antes de serem achatados, resultando no sulfato de bário modificado.
(3) Preparação da Dispersão
O sulfato de bário modificado foi disperso na formulação base em diferentes proporções, utilizando uma combinação de agitação mecânica e dispersão ultrassónica. Especificamente, uma certa quantidade de sulfato de bário modificado foi pesada, adicionada à água desionizada e dispersa ultrassónica durante 10 min. A formulação base foi então adicionada lentamente, sob agitação, e a mistura foi agitada durante mais 30 minutos.
2. Processo de Modificação Óptimo e Avaliação de Desempenho
(1) Processo de Modificação Óptimo
Através de uma pesquisa sistemática, foram determinadas as condições ideais do processo: o sulfato de bário de grau industrial foi peneirado num crivo de 200 mesh e seco a 60 °C durante 4 horas. O dodecil sulfato de sódio foi utilizado como modificador de superfície a 1,5% do peso do sulfato de bário, e a modificação foi realizada a 60 °C durante 2 horas. No processo de dispersão, o teor de sulfato de bário foi controlado em 15% a 20%, a temperatura de dispersão em 60 °C, o tempo de dispersão em 15 minutos e o pH do sistema mantido em 8,0 a 8,5. Foi utilizada uma combinação de agitação mecânica e dispersão ultrassónica.
Nestas condições, o sistema de dispersão resultante apresentou as seguintes características: distribuição uniforme do tamanho de partícula, com um tamanho de partícula principal de 0,8–1,2 μm; boa estabilidade do dispersante, sem sedimentação significativa em 7 dias; e excelente cobertura, com um filme uniforme e contínuo.
(2) Avaliação da Aplicação em Cosméticos
A dispersão de sulfato de bário preparada foi avaliada em formulações cosméticas: a adição de 15% da dispersão de sulfato de bário modificada a uma base cremosa resultou numa boa cobertura e numa experiência agradável ao utilizador, com boa compatibilidade com a matriz base e sem separação de fases.
A adição de 20% da dispersão a uma formulação de corretor melhorou significativamente a cobertura, manteve uma boa estabilidade e proporcionou um efeito natural e duradouro.
Os resultados da avaliação da aplicação demonstram que a dispersão de sulfato de bário preparada pelo processo otimizado apresenta um excelente desempenho em aplicações cosméticas. A ALPA é especializada em moagem e classificação ultrafinas para maximizar o valor do seu produto. Especializada na moagem e classificação ultrafinas de barita.
Потенциал монтмориллонита в области новой энергетики
Монтмориллонит (ММТ) — слоистый силикатный минерал. В его структуре высоковалентные атомы алюминия в алюмокислородных октаэдрах легко замещаются атомами с меньшей валентностью, что приводит к возникновению отрицательного заряда между слоями. Для поддержания стабильности межслоевой структуры монтмориллонит адсорбирует из окружающей среды такие катионы, как Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ и K+. Эта характеристика обеспечивает монтмориллониту высокую адсорбционную и катионообменную способность. Уникальная структура и обменная емкость наделяют монтмориллонит значительным потенциалом для применения в области новых энергетических технологий.
Материалы для литиевых аккумуляторов
(1) Для твердотельных электролитов
Многочисленные исследования показали, что монтмориллонит (ММТ), как новый неорганический наполнитель, может значительно улучшить ионную проводимость и механические свойства твердых полимерных электролитов (ТПЭ).
(2) Создание искусственных слоев SEI
В пленках искусственного твердого электролита (SEI) слоистый монтмориллонит-литий (Li-MMT) придает слою SEI хорошие механические свойства и создает каналы для переноса Li+, что способствует подавлению роста литиевых дендритов. Благодаря быстрым каналам Li+ в Li-MMT, полный элемент Li-LiFePO4, собранный со слоем SEI Li-MMT, демонстрирует превосходные скоростные характеристики и сохраняет высокую емкость 90,6% после 400 циклов при токе 1С.
(3) Оптимизация сепаратора
MMT используется для оптимизации сепараторов благодаря своим превосходным адсорбционным свойствам. По сравнению с коммерческими полиэтиленовыми сепараторами, модифицированный Li-MMT сепаратор имеет более высокую концентрацию Li+ на границе раздела электрод/электролит, что снижает селективное осаждение лития, снижает локальную плотность тока и подавляет рост дендритов.
(4) Оптимизация жидких электролитов
В системах литий-металлических аккумуляторов, по сравнению с электролитами на основе ПЭО, монтмориллонит проявляет более сильное сродство к металлическому литию, имея дзета-потенциал +26 мВ, что способствует обогащению ионов лития вблизи поверхности монтмориллонита. При адсорбции и отделении ионов лития перенапряжение несколько увеличивается до -57,7 мВ, что способствует миграции ионов лития из монтмориллонита и их осаждению на поверхности медного токосъемника.
(5) Материалы-носители
Суперконденсаторы
Материалы-шаблоны
Некоторые природные минералы имеют специфическую морфологию, например, аттапульгит, монтмориллонит, галлуазит и диатомит, которые обычно используются в качестве шаблонов для синтеза пористых углеродных материалов с заданной морфологией. Кроме того, с помощью метода минеральных шаблонов можно синтезировать проводящие полимеры с заданной морфологией. (2) Материалы-носители электродов
Для получения активных материалов со специфической морфологией, а также для повышения удельной емкости и повышения стабильности при циклировании, активные материалы можно наносить на поверхность таких минералов, как монтмориллонит и галлуазит.
Материалы для хранения метана
В настоящее время исследователи изучают возможность использования адсорбционной технологии хранения природного газа, которая является экономичной, удобной и безопасной, в качестве альтернативы традиционным технологиям хранения сжатого и сжиженного природного газа. Исследования показали, что глинистые минералы играют положительную роль в формировании и разработке месторождений сланцевого газа и обладают способностью к хранению газа.
Электрокаталитические материалы
Электрокатализ — это тип катализа, ускоряющий реакции переноса заряда на границе раздела электрод/электролит, и широко применяется в таких областях, как электрохимическое выделение водорода, выделение кислорода и восстановление оксидов азота (NOx). Глинистые минералы, такие как монтмориллонит, широко используются в качестве носителей для компонентов фотоэлектрокаталитических электродных реакций для предотвращения агрегации частиц, повышения стабильности молекул сенсибилизатора и повышения селективности реакции.
Материалы для хранения тепловой энергии с фазовым переходом
Материалы для хранения тепловой энергии с фазовым переходом (PCM) — это новый тип функциональных материалов, использующих поглощение или выделение тепла при фазовом переходе для накопления и высвобождения тепловой энергии. Природные минералы играют важную роль в области хранения тепловой энергии с фазовым переходом. С одной стороны, сами по себе природные минералы являются превосходными неорганическими материалами для хранения тепловой энергии с фазовым переходом и могут быть переработаны в высокоэффективные материалы для хранения тепловой энергии с фазовым переходом после добавления соответствующих зародышеобразователей и загустителей. С другой стороны, пористая структура минералов может служить отличным носителем для материалов для хранения тепловой энергии с фазовым переходом.
Модификация порошкового покрытия на основе диоксида титана
Модификация поверхности порошка диоксида титана (титановых белил) — важный метод улучшения его характеристик (таких как диспергируемость, атмосферостойкость, блеск и химическая стабильность). Распространенные методы модификации поверхности можно разделить на три основных типа: неорганические покрытия, органические покрытия и композитные покрытия. Ниже приводится подробная классификация и краткое описание этих методов:
Модификация неорганическими покрытиями
Этот метод заключается в нанесении на поверхность частиц диоксида титана слоя неорганических оксидов или солей, образующих физический барьер для повышения его химической стабильности и оптических свойств.
1. Оксидное покрытие
Принцип: Гидраты оксидов металлов (такие как SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ и т. д.) осаждаются на поверхность частиц диоксида титана, образуя равномерный слой покрытия.
Процесс: Обычно используется метод осаждения в жидкой фазе, при котором соли металлов (например, силикат натрия, сульфат алюминия) добавляются в суспензию диоксида титана, а pH регулируется для осаждения гидратов оксидов металлов на поверхность.
2. Композитное оксидное покрытие
Принцип: Нанесение покрытия из двух или более оксидов металлов (например, Al₂O₃-SiO₂, ZrO₂-SiO₂ и т. д.), объединяющего преимущества каждого компонента.
Особенности: Превосходные общие характеристики; например, покрытие Al₂O₃-SiO₂ может одновременно улучшить диспергируемость и атмосферостойкость, что подходит для сложных автомобильных покрытий и рулонных покрытий.
3. Солевое покрытие
Принцип: Использование солей металлов (например, фосфатов, силикатов, сульфатов и т. д.) для формирования нерастворимого солевого слоя на поверхности частиц диоксида титана.
Модификация органических покрытий
Этот метод включает реакцию органических соединений с гидроксильными группами на поверхности диоксида титана, в результате чего образуется органический молекулярный слой, улучшающий его совместимость с органическими средами. 1. Нанесение покрытия с использованием связующего агента
Принцип: Используя амфифильную структуру связующих агентов (таких как силаны, титанаты и алюминаты), один конец молекулы связывается с гидроксильными группами на поверхности диоксида титана, а другой реагирует с органической матрицей (например, смолой, полимером).
Функции:
Силановые связующие агенты: улучшают диспергируемость диоксида титана в водных системах, обычно используемых в покрытиях и чернилах на водной основе.
Титанатно-алюминатные связующие агенты: улучшают совместимость в масляных системах, таких как пластики и резина, уменьшая агломерацию в процессе переработки.
2. Покрытие поверхностно-активными веществами
Принцип: Поверхностно-активные вещества (такие как жирные кислоты, сульфонаты и четвертичные аммониевые соли) связываются с поверхностью диоксида титана посредством физической адсорбции или химической реакции, образуя заряженный или гидрофобный слой.
3. Покрытие полимерами
Принцип: Прививка полимеров (таких как акрилаты, эпоксидные смолы и силоксаны) на поверхность диоксида титана посредством реакций полимеризации.
Функции:
Формирование толстого слоя покрытия, обеспечивающего дополнительную защиту от химического воздействия и улучшающего атмосферостойкость и механические свойства.
Повышение совместимости со специальными смолами, что делает его пригодным для высокопроизводительных композитов и покрытий.
4. Покрытие кремнийорганическими соединениями
Принцип: Использование низкой поверхностной энергии полисилоксанов (силиконового масла, силиконовой смолы и т. д.) для покрытия частиц диоксида титана.
Функции: Снижение поверхностного натяжения, улучшение диспергируемости и смазывающей способности, широко используется в чернилах и косметике.
Модификация композитных покрытий
Сочетая преимущества неорганических и органических покрытий, двухкомпонентный процесс нанесения покрытия (последовательный или одновременный) обеспечивает взаимодополняющие характеристики.
1. Последовательное неорганико-органическое покрытие
Процесс: Сначала формируется физический барьер с помощью неорганических оксидов (например, SiO₂), затем проводится органическая модификация с помощью связующих агентов или полимеров.
Характеристики: Обеспечивает баланс между атмосферостойкостью и совместимостью, подходит для высокоэффективных архитектурных покрытий или автомобильных красок OEM. 2. Одновременное неорганико-органическое покрытие
Процесс: Неорганические и органические агенты покрытия одновременно вводятся в одну и ту же реакционную систему для формирования структуры типа «ядро-оболочка».
Характеристики: Слой покрытия обладает более высокой адгезией и значительно улучшенными характеристиками, подходит для высокотехнологичных применений (например, аэрокосмических покрытий, нанокомпозитов).
Другие специальные технологии покрытий
1. Покрытие на основе наночастиц
Принцип: Использование наночастиц (например, нано-SiO₂, нано-ZnO) для покрытия усиливает защиту от УФ-излучения и прозрачность, что широко используется в солнцезащитных косметических средствах и оптических покрытиях.
2. Микрокапсулирование
Принцип: Инкапсуляция частиц диоксида титана в полимерные микрокапсулы с последующим высвобождением диоксида титана путем контроля условий разрыва капсулы (например, температуры, pH), что подходит для интеллектуальных покрытий и систем с контролируемым высвобождением.
Выбор различных методов нанесения покрытия зависит от области применения (например, покрытия, пластики, чернила, косметика) и требований к эксплуатационным характеристикам (атмосферостойкость, диспергируемость, совместимость и т. д.).