ข้อดีของวัสดุคาร์บอนในด้านการนำความร้อนและการกระจายความร้อน
ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และผลิตภัณฑ์ของอุปกรณ์เหล่านี้พัฒนาไปสู่การผสานรวมและการคำนวณขั้นสูง พลังงานที่สูญเสียไปจึงเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า การกระจายความร้อนได้กลายมาเป็นปัจจัยสำคัญที่จำกัดการพัฒนาอย่างยั่งยืนของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ การค้นหาวัสดุจัดการความร้อนที่มีค่าการนำความร้อนที่ยอดเยี่ยมถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับวงจรรวมรุ่นต่อไปและการออกแบบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สามมิติ
ค่าการนำความร้อนของวัสดุเซรามิกแบบดั้งเดิม (เช่น โบรอนไนไตรด์ อะลูมิเนียมไนไตรด์) และวัสดุโลหะ (เช่น ทองแดง อะลูมิเนียม) อยู่ที่เพียงไม่กี่ร้อย W/(m·K) เท่านั้น เมื่อเปรียบเทียบแล้ว ค่าการนำความร้อนของวัสดุคาร์บอน เช่น เพชร กราไฟท์ กราฟีน นาโนทิวบ์คาร์บอน และคาร์บอนไฟเบอร์นั้นน่าทึ่งยิ่งกว่า ตัวอย่างเช่น กราไฟท์มีค่าการนำความร้อนทางทฤษฎีสูงถึง 4180 W/mk ในทิศทางขนานกับชั้นผลึก ซึ่งเกือบ 10 เท่าของวัสดุโลหะแบบดั้งเดิม เช่น ทองแดง เงิน และอะลูมิเนียม นอกจากนี้ วัสดุคาร์บอนยังมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น ความหนาแน่นต่ำ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ และคุณสมบัติเชิงกลที่อุณหภูมิสูงที่ดี
กราฟีน
กราฟีนเป็นวัสดุพื้นผิวอะตอมคาร์บอนชั้นเดียวที่ลอกออกจากกราไฟต์ มีโครงสร้างระนาบสองมิติรูปรังผึ้งที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนชั้นเดียวที่เรียงกันแน่นเป็นรูปหกเหลี่ยมปกติ โครงสร้างมีความเสถียรมาก การเชื่อมต่อระหว่างอะตอมคาร์บอนภายในกราฟีนมีความยืดหยุ่นมาก เมื่อแรงภายนอกกระทำกับกราฟีน พื้นผิวอะตอมคาร์บอนจะโค้งงอและเสียรูป ทำให้อะตอมคาร์บอนไม่ต้องเรียงตัวใหม่เพื่อปรับตัวให้เข้ากับแรงภายนอก จึงรักษาเสถียรภาพของโครงสร้างไว้ได้ โครงสร้างโครงตาข่ายที่เสถียรนี้ทำให้กราฟีนมีการนำความร้อนได้ดีเยี่ยม
นาโนท่อคาร์บอน
นับตั้งแต่มีการค้นพบนาโนท่อคาร์บอนในปี 1991 นาโนท่อคาร์บอนก็กลายเป็นจุดสนใจ ทำให้มีนักวิทยาศาสตร์จำนวนมากสนใจศึกษาการนำความร้อนของนาโนท่อคาร์บอน คาร์บอนนาโนทิวบ์ทำจากแผ่นกราไฟต์ชั้นเดียวหรือหลายชั้นที่ม้วนงอ และแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ ผนังเดียว ผนังคู่ และผนังหลายชั้น
โครงสร้างพิเศษทำให้คาร์บอนนาโนทิวบ์มีค่าการนำความร้อนสูงมาก นักวิจัยบางคนคำนวณได้ว่าคาร์บอนนาโนทิวบ์ผนังเดี่ยวมีค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้อง 3980 W/(m·K) ค่าการนำความร้อนของคาร์บอนนาโนทิวบ์ผนังคู่คือ 3580 W/(m·K) และค่าการนำความร้อนของคาร์บอนนาโนทิวบ์ผนังหลายชั้นคือ 2860 W/(m·K)
เพชร
โครงสร้างผลึกของเพชรประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนเรียงตัวกันอย่างแน่นหนาในรูปทรงสี่หน้า และอิเล็กตรอนทั้งหมดมีส่วนร่วมในการสร้างพันธะ ดังนั้น ค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องจึงสูงถึง 2000~2100 W/(m·K) ซึ่งเป็นหนึ่งในวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนที่ดีที่สุดในธรรมชาติ คุณลักษณะนี้ทำให้ไม่สามารถแทนที่ได้ในด้านการกระจายความร้อนระดับสูง
คาร์บอนไฟเบอร์
คาร์บอนไฟเบอร์ได้รับการบำบัดด้วยคาร์บอนไนเซชันอุณหภูมิสูงเพื่อสร้างโครงสร้างกราไฟต์เทอร์โบสตราติก หากโครงตาข่ายกราไฟต์แนวแกนมีการวางแนวสูง ก็สามารถบรรลุการนำความร้อนที่สูงมากได้ ตัวอย่างเช่น การนำความร้อนของคาร์บอนไฟเบอร์แบบเมโซเฟสพิทช์คือ 1100 W/(m·K) และการนำความร้อนของคาร์บอนไฟเบอร์ที่ปลูกด้วยไอสามารถถึง 1950 W/(m·K)
กราไฟต์
กราไฟต์มีโครงสร้างผลึกหกเหลี่ยม ประกอบด้วยเหลี่ยม 6 เหลี่ยมและระนาบฐานที่อัดแน่น 2 ระนาบ ชั้นแรกของกริดหกเหลี่ยมของอะตอมคาร์บอนจะเหลื่อมซ้อนกัน 1/2 ของเส้นทแยงมุมหกเหลี่ยมและทับซ้อนกันขนานกับชั้นที่สอง ชั้นที่สามและชั้นแรกจะทำซ้ำในตำแหน่งที่สร้างลำดับ ABAB... ค่าการนำความร้อนของกราไฟต์ธรรมชาติตามระนาบผลึก (002) คือ 2200 W/(m·K) และค่าการนำความร้อนในระนาบของกราไฟต์ไพโรไลติกที่มีการวางแนวสูงสามารถไปถึง 2000 W/(m·K) ได้เช่นกัน
วัสดุคาร์บอนที่กล่าวมาข้างต้นทั้งหมดมีค่าการนำความร้อนสูงมาก จึงดึงดูดความสนใจอย่างมากในด้านความต้องการการกระจายความร้อนสูง ต่อไปนี้ มาดูวัสดุนำความร้อน/กระจายความร้อนที่ทำจากคาร์บอนแบบคลาสสิกหลายๆ ชนิดกัน
วัสดุคาร์บอนซึ่งมีโครงสร้างผลึกและคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ ได้แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่ทดแทนไม่ได้ในด้านการนำความร้อนและการกระจายความร้อน ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการเตรียมและการขยายสถานการณ์การใช้งาน คาดว่าวัสดุที่ทำจากคาร์บอน เช่น กราฟีนและเพชรจะส่งเสริมโซลูชันการกระจายความร้อนในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น อิเล็กทรอนิกส์และอวกาศไปสู่อีกระดับหนึ่ง
การประยุกต์ใช้การเตรียมผงโดยใช้เทคโนโลยีพลาสมาความร้อนในวัสดุการจัดการความร้อน
การทำให้ขนาดเล็กลงและการผสานรวมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำให้มีข้อกำหนดการกระจายความร้อนที่สูงขึ้นสำหรับวัสดุการจัดการความร้อนที่ใช้โพลีเมอร์ การพัฒนาสารตัวเติมที่มีการนำความร้อนสูงใหม่เพื่อสร้างเส้นทางการนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพเป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุวัสดุการจัดการความร้อนประสิทธิภาพสูง
เทคโนโลยีพลาสม่าความร้อนมีข้อได้เปรียบมากมายในการเตรียมผงทรงกลมขนาดนาโนและไมครอน เช่น ผงซิลิกอนทรงกลมและผงอะลูมินา เนื่องจากมีอุณหภูมิสูง บรรยากาศปฏิกิริยาที่ควบคุมได้ ความหนาแน่นของพลังงานสูง และมลพิษต่ำ
เทคโนโลยีพลาสม่าความร้อน
พลาสม่าเป็นสถานะที่สี่ของสสาร นอกเหนือไปจากของแข็ง ของเหลว และก๊าซ โดยรวมแล้วเป็นมวลรวมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอน แคตไอออน และอนุภาคที่เป็นกลาง ตามอุณหภูมิของอนุภาคหนักในพลาสม่า พลาสม่าสามารถแบ่งได้เป็นสองประเภท ได้แก่ พลาสม่าร้อนและพลาสม่าเย็น
อุณหภูมิของไอออนหนักในพลาสม่าร้อนสามารถสูงถึง 3×103 ถึง 3×104K ซึ่งโดยทั่วไปจะถึงสถานะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ในพื้นที่ ในสถานะนี้ พลาสมาความร้อนจะมีความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้: อุณหภูมิอิเล็กตรอน Te = อุณหภูมิพลาสมา Th = อุณหภูมิการกระตุ้น Tex = อุณหภูมิปฏิกิริยาไอออไนเซชัน Treac ดังนั้น พลาสมาความร้อนจึงมีอุณหภูมิเทอร์โมไดนามิกที่สม่ำเสมอ
การเตรียมพลาสมาของผงทรงกลม
โดยอาศัยลักษณะเฉพาะของอุณหภูมิสูงและอัตราการเย็นตัวที่รวดเร็วของพลาสมาความร้อนความถี่สูง เทคโนโลยีการสะสมไอทางกายภาพจึงถูกนำมาใช้ในการเตรียมผงนาโน
มีสองวิธีหลักในการเตรียมผงทรงกลมด้วยพลาสมา
วิธีหนึ่งคือส่งผงวัตถุดิบที่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอและขนาดใหญ่เข้าไปในส่วนโค้งอุณหภูมิสูงของพลาสมาความร้อน และใช้สภาพแวดล้อมอุณหภูมิสูงที่สร้างขึ้นโดยพลาสมาความร้อนเพื่อให้ความร้อนและหลอมละลายอนุภาควัตถุดิบอย่างรวดเร็ว (หรือหลอมละลายพื้นผิว) เนื่องจากแรงตึงผิว ผงที่หลอมละลายจึงสร้างทรงกลมและแข็งตัวด้วยอัตราการเย็นตัวที่เหมาะสมเพื่อให้ได้ผงทรงกลม ประการที่สองคือการใช้ผงหรือสารตั้งต้นที่ไม่สม่ำเสมอเป็นวัตถุดิบและพลาสมาความร้อนเป็นแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูง วัตถุดิบจะทำปฏิกิริยากับอนุภาคที่มีฤทธิ์ภายในและจะถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วและสะสมเพื่อสร้างวัสดุผงที่เหมาะสม
การใช้ประโยชน์จากลักษณะเฉพาะของอุณหภูมิสูง พลังงานสูง บรรยากาศที่ควบคุมได้ และไม่มีมลพิษจากพลาสมาความร้อน ความบริสุทธิ์สูง ความเป็นทรงกลมสูง และผงทรงกลมขนาดต่างๆ สามารถเตรียมได้โดยการควบคุมพารามิเตอร์ในกระบวนการเตรียม เช่น การป้อน อัตราการทำความเย็น และพลังงานพลาสม่า ดังนั้น การใช้เทคโนโลยีพลาสม่าในการเตรียมผงทรงกลมจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นในด้านพลังงาน อวกาศ อุตสาหกรรมเคมี และสาขาอื่นๆ
พื้นที่การใช้งานหลักและลักษณะเฉพาะของผงไมโครซิลิกอน
ผงซิลิกาเป็นวัสดุอนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะซึ่งมีซิลิกอนไดออกไซด์เป็นองค์ประกอบหลัก ทำจากควอตซ์ผลึก ควอตซ์หลอมรวม ฯลฯ เป็นวัตถุดิบ และผ่านการแปรรูปโดยการบด การคัดเกรดที่แม่นยำ การกำจัดสิ่งเจือปน และกระบวนการอื่นๆ ผงซิลิกามีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ และการนำความร้อนสูง ผงซิลิกาใช้กันอย่างแพร่หลายในแผ่นลามิเนตเคลือบทองแดง สารประกอบการขึ้นรูปอีพอกซี วัสดุฉนวน กาว สารเคลือบ เซรามิก และสาขาอื่นๆ
1. แผ่นลามิเนตเคลือบทองแดง
แผ่นลามิเนตเคลือบทองแดงเป็นวัสดุพื้นฐานที่สำคัญสำหรับการผลิตแผงวงจรพิมพ์ที่มีโครงสร้าง "แผ่นฟอยล์ทองแดง + ชั้นฉนวนไฟฟ้า (เรซินและวัสดุเสริมแรง) + แผ่นฟอยล์ทองแดง" เป็นวัสดุพื้นฐานต้นน้ำสำหรับระบบวงจรต่างๆ
ตัวเลือกของสารตัวเติมสำหรับแผ่นลามิเนตเคลือบทองแดง ได้แก่ ผงไมโครซิลิกอน อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ แมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ แป้งทัลคัม ผงไมกา และวัสดุอื่นๆ ผงไมโครซิลิกอนมีข้อได้เปรียบในด้านการทนความร้อน คุณสมบัติทางกล คุณสมบัติทางไฟฟ้า และการกระจายตัวในระบบเรซิน สามารถใช้เพื่อปรับปรุงความต้านทานความร้อนและความต้านทานความชื้น ปรับปรุงความแข็งของแผ่นลามิเนตเคลือบทองแดงบาง ลดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน ปรับปรุงเสถียรภาพของมิติ ปรับปรุงความแม่นยำในการวางตำแหน่งการเจาะและความเรียบของผนังด้านใน ปรับปรุงการยึดเกาะระหว่างชั้นหรือระหว่างชั้นฉนวนและแผ่นทองแดง เป็นต้น จึงเป็นที่นิยมในสารตัวเติมแผ่นลามิเนตเคลือบทองแดง
ผงไมโครซิลิกอนทรงกลมมีประสิทธิภาพดีที่สุดแต่มีราคาสูง และใช้เฉพาะในด้านแผ่นลามิเนตเคลือบทองแดงระดับไฮเอนด์เท่านั้น ในแง่ของการนำความร้อน การเติม การขยายตัวเนื่องจากความร้อน และคุณสมบัติทางไฟฟ้า ประสิทธิภาพของผงไมโครซิลิกอนทรงกลมดีกว่า แต่ในแง่ของราคา ผงไมโครซิลิกอนเชิงมุมจะต่ำกว่า ดังนั้น เมื่อพิจารณาถึงประสิทธิภาพโดยรวมและต้นทุน ผงไมโครซิลิกอนทรงกลมจึงใช้เป็นหลักในสาขาของแผ่นลามิเนตหุ้มทองแดงระดับไฮเอนด์ เช่น แผ่นลามิเนตหุ้มทองแดงความถี่สูงและความเร็วสูง ตัวพา IC เป็นต้น และยิ่งสถานการณ์การใช้งานสูงขึ้น อัตราส่วนการเติมก็จะสูงขึ้น
2. สารประกอบการขึ้นรูปอีพอกซี
สารประกอบการขึ้นรูปอีพอกซีเป็นสารประกอบการขึ้นรูปผงที่ทำจากเรซินอีพอกซีเป็นเรซินพื้นฐาน เรซินฟีนอลิกประสิทธิภาพสูงเป็นตัวบ่ม ผงซิลิกอนเป็นตัวเติม และสารเติมแต่งหลากหลายชนิด เป็นวัสดุที่จำเป็นสำหรับบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ เช่น วงจรรวม (บรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์มากกว่า 97% ใช้สารประกอบการขึ้นรูปอีพอกซี)
3. วัสดุฉนวนไฟฟ้า
ผงซิลิกอนที่ใช้ในผลิตภัณฑ์ฉนวนไฟฟ้าสามารถลดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของผลิตภัณฑ์ที่บ่มแล้วและอัตราการหดตัวระหว่างกระบวนการบ่ม ลดความเครียดภายใน และปรับปรุงความแข็งแรงเชิงกลของวัสดุฉนวน จึงปรับปรุงและปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลและทางไฟฟ้าของวัสดุฉนวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น ความต้องการด้านการทำงานของลูกค้าในสาขานี้สำหรับผงไมโครซิลิกอนจึงสะท้อนให้เห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้นจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นต่ำ ความเป็นฉนวนสูง และความแข็งแรงเชิงกลสูง ในขณะที่ความต้องการคุณสมบัติทางไฟฟ้าและการนำความร้อนนั้นค่อนข้างต่ำ
ในสาขาของวัสดุฉนวนไฟฟ้า ผลิตภัณฑ์ผงไมโครซิลิกอนที่มีข้อกำหนดเดียวที่มีขนาดอนุภาคเฉลี่ย 5-25µm มักจะถูกเลือกตามลักษณะของผลิตภัณฑ์ฉนวนไฟฟ้าและข้อกำหนดของกระบวนการผลิต และมีข้อกำหนดสูงสำหรับความขาวของผลิตภัณฑ์ การกระจายขนาดอนุภาค ฯลฯ
4. กาว
ผงไมโครซิลิกอนที่เติมในเรซินกาวสามารถลดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของผลิตภัณฑ์ที่บ่มแล้วและอัตราการหดตัวระหว่างการบ่มได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปรับปรุงความแข็งแรงเชิงกลของกาว ปรับปรุงความต้านทานความร้อน ป้องกันการซึมผ่าน และประสิทธิภาพการกระจายความร้อน จึงปรับปรุงผลการยึดเกาะและการปิดผนึก
การกระจายขนาดอนุภาคของผงไมโครซิลิกอนจะส่งผลต่อความหนืดและการตกตะกอนของกาว จึงส่งผลต่อความสามารถในการแปรรูปของกาวและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นหลังจากการบ่ม
5. เซรามิกรังผึ้ง
เซรามิกรังผึ้งสำหรับฟอกไอเสียรถยนต์และวัสดุคอร์เดียไรต์สำหรับกรองไอเสียรถยนต์ DPF สำหรับฟอกไอเสียเครื่องยนต์ดีเซลทำจากอะลูมินา ผงไมโครซิลิกอน และวัสดุอื่นๆ ผ่านกระบวนการผสม การขึ้นรูปด้วยการอัดรีด การอบแห้ง การเผาผนึก และกระบวนการอื่นๆ ผงไมโครซิลิกอนทรงกลมสามารถปรับปรุงอัตราการขึ้นรูปและความเสถียรของผลิตภัณฑ์เซรามิกรังผึ้งได้
การดัดแปลงการเคลือบไททาเนียมไดออกไซด์
การดัดแปลงการเคลือบไททาเนียมไดออกไซด์ (ไททาเนียมไดออกไซด์) เป็นวิธีการสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพ (เช่น การกระจายตัว ความทนทานต่อสภาพอากาศ ความมันเงา ความเสถียรทางเคมี ฯลฯ) วิธีการดัดแปลงการเคลือบทั่วไปมีสามประเภทหลักๆ ได้แก่ การเคลือบอนินทรีย์ การเคลือบอินทรีย์ และการเคลือบแบบคอมโพสิต ต่อไปนี้คือการจำแนกประเภทเฉพาะและคำแนะนำสั้นๆ:
การดัดแปลงการเคลือบอนินทรีย์
การเคลือบชั้นของออกไซด์หรือเกลืออนินทรีย์บนพื้นผิวของอนุภาคไททาเนียมไดออกไซด์จะสร้างกำแพงกั้นทางกายภาพเพื่อปรับปรุงความเสถียรทางเคมีและคุณสมบัติทางแสง
1. การเคลือบออกไซด์
หลักการ: ใช้ไฮเดรตของออกไซด์ของโลหะ (เช่น SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂ ฯลฯ) เพื่อตกตะกอนบนพื้นผิวของไททาเนียมไดออกไซด์เพื่อสร้างชั้นเคลือบที่สม่ำเสมอ
กระบวนการ: โดยทั่วไปแล้ว เกลือโลหะ (เช่น โซเดียมซิลิเกต อะลูมิเนียมซัลเฟต) จะถูกเติมลงในสารละลายไททาเนียมไดออกไซด์ผ่านวิธีการสะสมในเฟสของเหลว และปรับค่า pH เพื่อตกตะกอนและเคลือบไฮเดรตของโลหะออกไซด์
2. การเคลือบออกไซด์แบบผสม
หลักการ: การเคลือบโลหะออกไซด์สองชนิดขึ้นไป (เช่น Al2O3-SiO3, ZrO3-SiO3 เป็นต้น) โดยผสมผสานข้อดีของแต่ละส่วนประกอบเข้าด้วยกัน
คุณสมบัติ: ประสิทธิภาพโดยรวมที่ดีขึ้น เช่น การเคลือบ Al2O3-SiO3 สามารถปรับปรุงการกระจายตัวและความทนทานต่อสภาพอากาศได้พร้อมกัน เหมาะสำหรับสีรถยนต์และการเคลือบคอยล์ที่มีความต้องการสูง
3. การเคลือบด้วยเกลือ
หลักการ: ใช้เกลือโลหะ (เช่น ฟอสเฟต ซิลิเกต ซัลเฟต เป็นต้น) เพื่อสร้างชั้นเกลือที่ละลายน้ำได้ไม่ดีบนพื้นผิวของไททาเนียมไดออกไซด์
การปรับเปลี่ยนการเคลือบสารอินทรีย์
ผ่านปฏิกิริยาของสารประกอบอินทรีย์กับกลุ่มไฮดรอกซิลบนพื้นผิวของไททาเนียมไดออกไซด์ ชั้นโมเลกุลอินทรีย์ถูกสร้างขึ้นเพื่อปรับปรุงความเข้ากันได้กับสื่ออินทรีย์
1. การเคลือบสารจับคู่
หลักการ: การใช้โครงสร้างแอมฟิฟิลิกของโมเลกุลสารจับคู่ (เช่น ไซเลน ไททาเนต อะลูมิเนต) ปลายด้านหนึ่งจะรวมเข้ากับกลุ่มไฮดรอกซิลบนพื้นผิวของไททาเนียมไดออกไซด์ และปลายอีกด้านหนึ่งจะทำปฏิกิริยากับเมทริกซ์อินทรีย์ (เช่น เรซิน โพลีเมอร์)
สารจับคู่ไซเลน: ปรับปรุงการกระจายตัวของไททาเนียมไดออกไซด์ในระบบที่ใช้ฐานน้ำ ซึ่งมักใช้ในสารเคลือบและหมึกที่ใช้ฐานน้ำ
สารจับคู่ไททาเนต/อะลูมิเนต: ปรับปรุงความเข้ากันได้ในระบบที่มีน้ำมัน เช่น พลาสติกและยาง และลดการเกาะกลุ่มระหว่างการแปรรูป
2. สารเคลือบลดแรงตึงผิว
หลักการ: สารลดแรงตึงผิว (เช่น กรดไขมัน ซัลโฟเนต เกลือแอมโมเนียมควอเทอร์นารี ฯลฯ) ยึดเกาะกับพื้นผิวของไททาเนียมไดออกไซด์ผ่านการดูดซับทางกายภาพหรือปฏิกิริยาเคมีเพื่อสร้างชั้นประจุหรือชั้นไม่ชอบน้ำ
หน้าที่:
สารลดแรงตึงผิวแบบแอนไอออนิก (เช่น กรดสเตียริก): ปรับปรุงการกระจายตัวในสื่อที่มีน้ำมัน ซึ่งมักใช้ในพลาสติกและยาง
สารลดแรงตึงผิวแบบแคตไอออนิก (เช่น โดเดซิลไตรเมทิลแอมโมเนียมคลอไรด์): เหมาะสำหรับระบบที่มีขั้วเพื่อเพิ่มเสถียรภาพ
3. สารเคลือบโพลีเมอร์
หลักการ: กราฟต์โพลีเมอร์ (เช่น อะคริเลต เรซินอีพอกซี ซิโลเซน ฯลฯ) บนพื้นผิวของไททาเนียมไดออกไซด์ผ่านปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน
หน้าที่:
สร้างชั้นเคลือบหนาเพื่อแยกการกัดกร่อนทางเคมีเพิ่มเติม และปรับปรุงความทนทานต่อสภาพอากาศและคุณสมบัติเชิงกล
ปรับปรุงความเข้ากันได้กับเรซินเฉพาะ เหมาะสำหรับวัสดุคอมโพสิตและสารเคลือบประสิทธิภาพสูง
4. การเคลือบซิลิโคน
หลักการ: ใช้คุณสมบัติพลังงานพื้นผิวต่ำของโพลีซิโลเซน (น้ำมันซิลิโคน เรซินซิลิโคน ฯลฯ) เพื่อเคลือบอนุภาคไททาเนียมไดออกไซด์
ฟังก์ชัน: ลดแรงตึงผิว ปรับปรุงการกระจายและความเรียบเนียน ซึ่งมักใช้ในหมึกและเครื่องสำอาง
III. การปรับเปลี่ยนการเคลือบแบบผสม
การรวมข้อดีของการเคลือบแบบอนินทรีย์และอินทรีย์เข้าด้วยกัน การเคลือบสองชั้นจะดำเนินการเป็นขั้นตอนหรือพร้อมกันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่เสริมกัน
1. การเคลือบแบบอนินทรีย์ก่อนแล้วจึงเคลือบแบบอินทรีย์
2. การเคลือบแบบซิงโครนัสระหว่างอนินทรีย์และอินทรีย์
เทคโนโลยีการเคลือบพิเศษอื่นๆ
1. การเคลือบแบบนาโน
2. การเคลือบไมโครแคปซูล
หลักการ: ห่อหุ้มอนุภาคไททาเนียมไดออกไซด์ในไมโครแคปซูลโพลิเมอร์ ปล่อยไททาเนียมไดออกไซด์โดยควบคุมสภาวะการแตกของแคปซูล (เช่น อุณหภูมิ ค่า pH) เหมาะสำหรับการเคลือบอัจฉริยะและระบบปล่อยช้า
วัสดุโลหะผสมแมกนีเซียมในเศรษฐกิจระดับต่ำ
เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีน้ำหนักเบา โลหะผสมแมกนีเซียมจึงกลายเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับเครื่องบินประหยัดที่บินต่ำ เนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำ มีความแข็งแรงสูง ดูดซับแรงกระแทกได้ดี และมีคุณสมบัติในการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุแบบดั้งเดิมแล้ว โลหะผสมแมกนีเซียมจะเบากว่า สามารถยืดเวลาการบินได้อย่างมีนัยสำคัญ และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน นอกจากนี้ ความสามารถในการดูดซับแรงกระแทกและป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของโลหะผสมแมกนีเซียมยังช่วยปรับปรุงความปลอดภัยในการทำงานและความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเครื่องบินในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนได้อีกด้วย
เครื่องบินขึ้นและลงจอดแนวตั้งแบบไฟฟ้า (eVTOL)
โครงฟิวส์: ความหนาแน่นของโลหะผสมแมกนีเซียมมีเพียง 2/3 ของโลหะผสมอลูมิเนียม และ 1/4 ของเหล็ก การใช้แมกนีเซียมอัลลอยด์สำหรับโครงลำตัวเครื่องบินสามารถลดน้ำหนักของเครื่องบินได้อย่างมาก ปรับปรุงความจุในการรับน้ำหนักและระยะทางการบิน ตัวอย่างเช่น eVTOL สำหรับบรรทุกสินค้าขนาด 2 ตันของ Fengfei Aviation ใช้โลหะผสมแมกนีเซียมในการผลิตชิ้นส่วนโครงลำตัวเครื่องบินบางส่วน ซึ่งช่วยให้มีน้ำหนักเบาได้อย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมทั้งยังคงความแข็งแรงของโครงสร้าง
โครงสร้างปีก: โลหะผสมแมกนีเซียมมีความแข็งแรงเฉพาะสูงและสามารถรักษาเสถียรภาพโครงสร้างของปีกภายใต้ภาระอากาศพลศาสตร์ขนาดใหญ่ในขณะที่ลดน้ำหนักของปีกซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการบินของเครื่องบิน
ตัวเรือนมอเตอร์: โลหะผสมแมกนีเซียมมีคุณสมบัติในการนำความร้อนและป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดีซึ่งสามารถกระจายความร้อนที่เกิดจากการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปกป้องวงจรภายในของมอเตอร์จากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ยืดอายุการใช้งานของมอเตอร์ และปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของมอเตอร์ ตัวอย่างเช่น ตัวเรือนมอเตอร์ของรถบินไฟฟ้าอัจฉริยะ Traveler X2 ของ Xiaopeng Huitian ทำจากวัสดุโลหะผสมแมกนีเซียม
ช่องใส่แบตเตอรี่: โลหะผสมแมกนีเซียมสามารถใช้ในการผลิตช่องใส่แบตเตอรี่ ความหนาแน่นต่ำช่วยลดน้ำหนักโดยรวมของเครื่องบิน และประสิทธิภาพในการป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่ถูกรบกวนจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความปลอดภัยและการทำงานของแบตเตอรี่ที่เสถียร
ตัวยึดแผงหน้าปัด: ตัวยึดแผงหน้าปัดโลหะผสมแมกนีเซียมมีความแข็งแรงและเสถียรภาพที่ดี และสามารถรองรับอุปกรณ์ต่างๆ และอุปกรณ์แสดงผลของแผงหน้าปัด eVTOL ในเวลาเดียวกัน ลักษณะน้ำหนักเบายังช่วยลดน้ำหนักโดยรวมของเครื่องบินอีกด้วย
UAV
โครงลำตัว: โลหะผสมแมกนีเซียมมีความหนาแน่นต่ำ ซึ่งสามารถลดน้ำหนักของโดรนได้อย่างมาก เพิ่มความทนทานและความสามารถในการรับน้ำหนัก และความแข็งแรงจำเพาะที่สูงสามารถทำให้ลำตัวเครื่องบินสามารถทนต่อแรงกดดันต่างๆ ในระหว่างการบินได้ ตัวอย่างเช่น โดรนมัลติโรเตอร์ "Hybrid Flyer" ที่มีโครงโลหะผสมแมกนีเซียมมีน้ำหนักเบากว่าโครงวัสดุแบบเดิมประมาณ 30% และเวลาความทนทานยังขยายออกไปอีกด้วย
ปีกและหาง: สามารถใช้ในการผลิตโครงสร้างรองรับภายในหรือผิวโดยรวมของปีกและหาง ในขณะที่รับประกันความแข็งแรงของโครงสร้างและประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์ ลดความต้านทานการบินและการใช้พลังงานของโดรน และปรับปรุงประสิทธิภาพการบินและความยืดหยุ่น
ตัวยึดแผงวงจรควบคุม: ให้การรองรับที่มั่นคงสำหรับแผงวงจรควบคุม ลักษณะน้ำหนักเบาช่วยลดจุดศูนย์ถ่วงของโดรนและปรับปรุงเสถียรภาพในการบิน ในเวลาเดียวกัน ประสิทธิภาพการป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างแผงวงจรและรับรองการส่งสัญญาณควบคุมที่แม่นยำ
ตัวเรือนเซ็นเซอร์: ใช้เพื่อหุ้มเซ็นเซอร์ต่างๆ เช่น กล้อง โมดูล GPS เป็นต้น ขณะเดียวกันก็ปกป้องเซ็นเซอร์ ลดน้ำหนักบรรทุกของโดรน ช่วยให้โดรนบรรทุกอุปกรณ์ได้มากขึ้นหรือยืดเวลาบินได้ และความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมแมกนีเซียมสามารถปรับให้เข้ากับข้อกำหนดการทำงานของเซ็นเซอร์ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันได้
ใบพัด: โลหะผสมแมกนีเซียมสามารถใช้ในการผลิตใบพัดได้ ความหนาแน่นต่ำและความแข็งแรงจำเพาะสูงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการหมุนของใบพัด ลดการใช้พลังงาน ลดน้ำหนัก และปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของโดรน
แมกนีเซียมมีน้ำหนักเบา ต้นทุนต่ำ และสำรองสูง จึงได้เปรียบกว่าวัสดุแบบดั้งเดิม และคาดว่าจะแก้ปัญหาต้นทุนวัตถุดิบที่สูงและประสิทธิภาพการทำงานต่ำในการก่อสร้างที่ประหยัดในพื้นที่ต่ำได้ ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีการผลิตโลหะผสมแมกนีเซียม การผลิตขนาดใหญ่จะช่วยลดต้นทุนต่อไป จึงส่งเสริมการใช้งานขนาดใหญ่ในพื้นที่ต่ำ
คุณสมบัติของวัสดุคอมโพสิตไฟเบอร์กลาส
ไฟเบอร์กลาสเป็นวัสดุที่ประกอบด้วยใยแก้วละเอียดมากจำนวนมาก ผลิตขึ้นโดยการบังคับให้แก้วหลอมเหลวผ่านตะแกรง ซึ่งจะปั่นให้เป็นเส้นใยแล้วจึงรวมกันเพื่อสร้างใยแก้ว
คอมโพสิตไฟเบอร์กลาสเป็นวัสดุพลาสติกเสริมแรงที่ประกอบด้วยใยแก้วฝังอยู่ในเมทริกซ์เรซิน คอมโพสิตไฟเบอร์กลาสมีความแข็งแรงเฉพาะที่ยอดเยี่ยม มีน้ำหนักเบาแต่มีคุณสมบัติเชิงกลใกล้เคียงกับโลหะ ไม่เป็นสนิม ทนต่อกรด ด่าง ความชื้น และสภาพแวดล้อมที่มีละอองเกลือเป็นเวลานาน และมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าวัสดุโลหะแบบดั้งเดิม ประสิทธิภาพการทำงานสามารถปรับให้เหมาะสมได้โดยการปรับการวางใยและประเภทของเรซิน และสามารถแปรรูปเป็นรูปร่างที่ซับซ้อนได้ ไม่เป็นสื่อไฟฟ้าและโปร่งใสต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และเหมาะสำหรับส่วนประกอบฟังก์ชันพิเศษ เช่น อุปกรณ์ไฟฟ้าและเรโดม เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุคอมโพสิตระดับไฮเอนด์ เช่น คาร์บอนไฟเบอร์ ไฟเบอร์กลาสมีราคาถูกกว่าและเป็นตัวเลือกวัสดุประสิทธิภาพสูงที่ประหยัด
วัสดุคอมโพสิตไฟเบอร์กลาสที่ใช้ในเครื่องบินที่บินในระดับความสูงต่ำ
ใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาของโดรน
ตัวเครื่องและส่วนประกอบโครงสร้าง: พลาสติกเสริมไฟเบอร์กลาส (GFRP) ใช้กันอย่างแพร่หลายในส่วนประกอบโครงสร้างหลัก เช่น ตัวเครื่อง ปีก และหางของโดรน เนื่องจากมีน้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูง
วัสดุใบมีด: ในการผลิตใบพัดของโดรน ไฟเบอร์กลาสจะใช้ร่วมกับวัสดุ เช่น ไนลอน เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและความทนทาน
วัสดุสำคัญสำหรับเครื่องบินขึ้นและลงจอดในแนวตั้งแบบไฟฟ้า (eVTOL)
โครงฟิวส์และปีก: เครื่องบิน eVTOL มีข้อกำหนดด้านน้ำหนักเบาเป็นอย่างยิ่ง และวัสดุคอมโพสิตเสริมไฟเบอร์กลาสมักใช้ร่วมกับคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อปรับปรุงโครงสร้างตัวเครื่องและลดต้นทุน
ส่วนประกอบที่ใช้งานได้: ไฟเบอร์กลาสยังใช้ในอุปกรณ์เอวิโอนิกส์ eVTOL (เช่น เครื่องขยายกำลัง RF) และคุณสมบัติในการทนต่ออุณหภูมิและฉนวนที่สูงทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสม
ไฟเบอร์กลาสเป็นวัสดุพื้นฐานเชิงกลยุทธ์ในเครื่องบินที่บินในระดับความสูงต่ำ จึงมีแนวโน้มการใช้งานที่หลากหลายในโดรน eVTOL และสาขาอื่นๆ ด้วยการสนับสนุนนโยบายและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี ความต้องการของตลาดจะเติบโตอย่างต่อเนื่องและกลายเป็นพลังสำคัญในการส่งเสริมการพัฒนาเศรษฐกิจในพื้นที่ราบต่ำ
ทองคำที่ถูกละเลย: ผงขัดแร่หายาก
ผงขัดที่มีส่วนประกอบของเซเรียมแรร์เอิร์ธเป็นผงขัดแรร์เอิร์ธที่ได้รับความนิยมในปัจจุบัน ผงขัดนี้มีประสิทธิภาพในการขัดที่ยอดเยี่ยมและสามารถปรับปรุงพื้นผิวของผลิตภัณฑ์หรือชิ้นส่วนได้ ผงขัดนี้เป็นที่รู้จักในชื่อ "ราชาแห่งผงขัด" อุตสาหกรรมการแปรรูปแก้วและอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์เป็นสาขาการใช้งานหลักของผงขัดแรร์เอิร์ธ ของเสียจากผงขัดแรร์เอิร์ธที่ล้มเหลวหลังการขัดคิดเป็นประมาณ 70% ของผลผลิตในแต่ละปี ส่วนประกอบของเสียส่วนใหญ่มาจากเศษผงขัดแรร์เอิร์ธ ของเหลวเสีย เศษแก้วจากชิ้นงานขัด ผิวเจียร (พอลิเมอร์อินทรีย์) จากผ้าขัด น้ำมัน และสิ่งเจือปนอื่นๆ และสัดส่วนของส่วนประกอบแรร์เอิร์ธคือ 50% วิธีการกำจัดผงขัดแรร์เอิร์ธที่ล้มเหลวได้กลายเป็นปัญหาสำคัญสำหรับบริษัทการใช้งานปลายน้ำ
ปัจจุบัน วิธีการที่ใช้กันทั่วไปในการรีไซเคิลขยะผงขัดแรร์เอิร์ธคือ การแยกทางกายภาพและการแยกทางเคมี
วิธีการแยกทางกายภาพ
(1) วิธีการลอยตัว
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีลอยตัวถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการบำบัดขยะมูลฝอย เนื่องจากความแตกต่างของความชอบน้ำของส่วนประกอบในผงขัดโลหะหายากจากขยะ จึงเลือกใช้สารลอยตัวที่แตกต่างกันเพื่อปรับปรุงความสัมพันธ์ของส่วนประกอบในสารละลายน้ำ โดยปล่อยให้อนุภาคที่ชอบน้ำอยู่ในน้ำ จึงบรรลุวัตถุประสงค์ของการแยก อย่างไรก็ตาม ขนาดของอนุภาคผงขัดมีผลต่ออัตราการคืนตัวจากการลอยตัว และความบริสุทธิ์ในการคืนตัวยังไม่เพียงพอ
ในระหว่างการลอยตัว จะเลือกใช้ตัวรวบรวมที่แตกต่างกัน และผลการกำจัดสิ่งเจือปนจะแตกต่างกันอย่างมาก Yang Zhiren และคณะพบว่าเมื่อค่า pH ของกรดสไตรีนฟอสโฟนิกอยู่ที่ 5 อัตราการกู้คืนของซีเรียมออกไซด์และแลนทานัมออกไซด์หลังจากการลอยตัวจะสูงถึง 95% ในขณะที่อัตราการกู้คืนของแคลเซียมฟลูออไรด์และฟลูออโรอะพาไทต์อยู่ที่สูงสุดเพียง 20% เท่านั้น อนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 5 ไมครอนจะต้องถูกแยกเพิ่มเติมเพื่อกำจัดสิ่งเจือปนอันเนื่องมาจากผลการลอยตัวที่ไม่ดี
(2) วิธีการแยกด้วยแม่เหล็ก
ผงขัดโลหะหายากจากขยะมีแม่เหล็ก จากนี้ Mishima และคณะได้ออกแบบอุปกรณ์ที่มีสนามแม่เหล็กแนวตั้งเพื่อกู้คืนสารละลายขัดเงาของแร่ธาตุหายาก เมื่ออัตราการไหลของสารละลายผงของเสียอยู่ที่ 20 มม./วินาที เวลาในการหมุนเวียนคือ 30 นาที ความเข้มข้นของสารละลายอยู่ที่ 5% และค่า pH ของสารละลายอยู่ที่ 3 ประสิทธิภาพการแยกซีเรียมไดออกไซด์และสารตกตะกอนเหล็กสามารถไปถึง 80% หากเปลี่ยนทิศทางของสนามแม่เหล็กเป็นระดับแนวนอน จากนั้นจึงเติมสารละลาย MnCl2 ลงไป ซิลิกอนไดออกไซด์และอะลูมิเนียมออกไซด์ที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กตรงกันข้ามก็สามารถแยกออกจากซีเรียมไดออกไซด์ได้
(3) วิธีการอื่น
Takahashi และคณะได้แช่แข็งสารละลายผงของเสียที่มีอนุภาคจับตัวได้ยากที่อุณหภูมิ -10°C แล้วจึงละลายในสภาพแวดล้อมที่ 25°C สิ่งเจือปนและออกไซด์ของแร่ธาตุหายากจะก่อตัวเป็นชั้น ซึ่งช่วยให้การรวมตัวและการกู้คืนสารที่มีประโยชน์ในของเสียเป็นไปได้ง่ายขึ้น
วิธีการแยกทางเคมี
วิธีการทางเคมีส่วนใหญ่ใช้กระบวนการกู้คืนหลังจากการละลายกรดและการคั่วด้วยด่าง และใช้ตัวรีดิวซ์เป็นรีเอเจนต์เสริมเพื่อให้ได้วัตถุดิบผงขัดแรร์เอิร์ธผ่านการกำจัดสิ่งเจือปน การสกัด และการตกตะกอน วิธีนี้มีอัตราการกู้คืนแรร์เอิร์ธสูง แต่กระบวนการใช้เวลานานและต้นทุนสูง กรดเข้มข้นหรือด่างเข้มข้นมากเกินไปจะก่อให้เกิดน้ำเสียจำนวนมาก (1) การบำบัดด้วยด่าง
อะลูมิเนียมออกไซด์และซิลิกอนไดออกไซด์เป็นสิ่งเจือปนหลักในขยะผงขัดแรร์เอิร์ธ ใช้สารละลาย NaOH ความเข้มข้น 4 โมลต่อลิตรเพื่อทำปฏิกิริยากับขยะผงขัดแรร์เอิร์ธเป็นเวลา 1 ชั่วโมงที่ 60°C เพื่อกำจัดสิ่งเจือปนซิลิกอนไดออกไซด์และอะลูมิเนียมออกไซด์ในขยะผงขัดแรร์เอิร์ธ
(2) การบำบัดด้วยกรด
ในการกู้คืนธาตุแรร์เอิร์ธจากขยะผงขัด มักใช้กรดไนตริก กรดซัลฟิวริก และกรดไฮโดรคลอริกในการชะล้าง ซีเรียมไดออกไซด์ ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของขยะผงขัดโลหะหายาก ละลายได้เล็กน้อยในกรดซัลฟิวริก
(3) การชะล้างด้วยกรดที่มีตัวรีดิวซ์ช่วย
หากชะล้าง CeO2 ด้วยกรดโดยตรง ผลลัพธ์จะไม่ดีนัก หากเติมตัวรีดิวซ์ลงไปเพื่อลด Ce4+ ให้เป็น Ce3+ อัตราการชะล้างโลหะหายากก็จะดีขึ้น การใช้ตัวรีดิวซ์ H2O2 เพื่อช่วยในการชะล้างขยะผงขัดโลหะหายากด้วยกรดไฮโดรคลอริกสามารถปรับปรุงผลการทดลองได้อย่างมาก
เส้นทางกระบวนการ 6 เส้นทางสำหรับแก้วควอทซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง
แก้วควอตซ์มีความบริสุทธิ์สูง การส่งผ่านสเปกตรัมสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ และทนต่อการกระแทกจากความร้อน การกัดกร่อน และรังสีอัลตราไวโอเลตในระดับลึกได้ดีเยี่ยม ใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาการผลิตอุตสาหกรรมระดับสูง เช่น ออปติก อวกาศ และเซมิคอนดักเตอร์
แก้วควอตซ์สามารถจำแนกตามกระบวนการเตรียมได้ มีวัตถุดิบหลักสองประเภทสำหรับการเตรียมแก้วควอตซ์ ประเภทแรกคือทรายควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง ซึ่งใช้ในการหลอมไฟฟ้าและการกลั่นก๊าซเพื่อเตรียมแก้วควอตซ์หลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงเกิน 1,800°C ประเภทที่สองคือสารประกอบที่มีซิลิกอน ซึ่งใช้ในการเตรียมแก้วควอตซ์สังเคราะห์ผ่านปฏิกิริยาเคมี
วิธีการหลอมไฟฟ้า
วิธีการหลอมไฟฟ้าคือการหลอมวัตถุดิบควอตซ์ที่เป็นผงในเบ้าหลอมด้วยความร้อนไฟฟ้า จากนั้นจึงสร้างแก้วควอตซ์ผ่านกระบวนการทำให้เป็นแก้วที่มีความเย็นอย่างรวดเร็ว วิธีการให้ความร้อนหลัก ได้แก่ ความต้านทาน การเหนี่ยวนำด้วยอาร์คและความถี่กลาง
วิธีการกลั่นก๊าซ
ในทางอุตสาหกรรม วิธีการกลั่นก๊าซนั้นช้ากว่าวิธีการหลอมด้วยไฟฟ้าเล็กน้อย โดยใช้เปลวไฟไฮโดรเจน-ออกซิเจนในการหลอมควอตซ์ธรรมชาติ จากนั้นจึงค่อย ๆ สะสมบนพื้นผิวเป้าหมายของแก้วควอตซ์ แก้วควอตซ์หลอมรวมที่ผลิตโดยวิธีการกลั่นก๊าซนั้นส่วนใหญ่ใช้สำหรับแหล่งกำเนิดแสงไฟฟ้า อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ หลอดไฟซีนอนทรงกลม เป็นต้น ในยุคแรก หลอดแก้วควอตซ์ใสขนาดใหญ่และเบ้าหลอมจะถูกหลอมโดยตรงด้วยทรายควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงบนอุปกรณ์พิเศษโดยใช้เปลวไฟไฮโดรเจน-ออกซิเจน ปัจจุบัน วิธีการกลั่นก๊าซนั้นมักใช้ในการเตรียมแท่งควอตซ์ จากนั้นแท่งควอตซ์จะถูกแปรรูปแบบเย็นหรือร้อนเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์แก้วควอตซ์ตามต้องการ
วิธี CVD
หลักการของวิธี CVD คือการให้ความร้อนกับของเหลวระเหย SiCl4 เพื่อให้เป็นก๊าซ จากนั้นให้ SiCl4 ที่เป็นก๊าซเข้าไปในเปลวไฟไฮโดรเจน-ออกซิเจนที่เกิดจากการเผาไหม้ของไฮโดรเจนและออกซิเจนภายใต้การขับเคลื่อนของก๊าซพาหะ (O2) ทำปฏิกิริยากับไอน้ำที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้างอนุภาคที่ไม่มีรูปร่าง จากนั้นจึงสะสมบนพื้นผิวการสะสมแบบหมุน จากนั้นจึงหลอมละลายที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้างแก้วควอตซ์
วิธี PCVD
กระบวนการ PCVD ได้รับการเสนอครั้งแรกโดย Corning ในปี 1960 โดยใช้พลาสม่าแทนเปลวไฟไฮโดรเจน-ออกซิเจนเป็นแหล่งความร้อนในการเตรียมแก้วควอตซ์ อุณหภูมิของเปลวไฟพลาสม่าที่ใช้ในกระบวนการ PCVD นั้นสูงกว่าเปลวไฟทั่วไปมาก อุณหภูมิแกนกลางอาจสูงถึง 15,000K และอุณหภูมิเฉลี่ยอยู่ที่ 4,000~5,000K สามารถเลือกก๊าซทำงานได้ตามข้อกำหนดเฉพาะของกระบวนการ
วิธี CVD สองขั้นตอน
วิธี CVD แบบดั้งเดิมเรียกอีกอย่างว่าวิธีขั้นตอนเดียวหรือวิธีตรง เนื่องจากไอน้ำมีส่วนเกี่ยวข้องในปฏิกิริยา ปริมาณไฮดรอกซิลในแก้วควอตซ์ที่เตรียมโดยวิธี CVD ขั้นตอนเดียวจึงมักจะสูงและควบคุมได้ยาก เพื่อเอาชนะข้อบกพร่องนี้ วิศวกรจึงปรับปรุงวิธี CVD ขั้นตอนเดียวและพัฒนาวิธี CVD สองขั้นตอน ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าวิธีการสังเคราะห์ทางอ้อม
การดัดแปลงด้วยความร้อน
วิธีการดัดแปลงด้วยความร้อนจะทำให้วัสดุฐานแก้วควอตซ์อ่อนตัวลงก่อนโดยการให้ความร้อน จากนั้นจึงได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการผ่านวิธีการต่างๆ เช่น การจมในรางและการดึง ในเตาเผาดัดแปลงด้วยความร้อน ตัวเตาจะถูกให้ความร้อนโดยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าสลับที่ผ่านขดลวดเหนี่ยวนำในเตาจะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสลับในอวกาศ และสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะกระทำกับองค์ประกอบความร้อนเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าและความร้อน เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น วัสดุฐานแก้วควอตซ์จะอ่อนตัวลง และในเวลานี้ สามารถสร้างแท่ง/ท่อแก้วควอตซ์ได้โดยการดึงลงด้วยรถแทรกเตอร์ การปรับอุณหภูมิในเตาเผาและความเร็วในการดึงทำให้สามารถดึงแท่ง/ท่อแก้วควอทซ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกันได้ การจัดเรียงขดลวดและโครงสร้างเตาเผาของเตาเผาเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้ามีอิทธิพลอย่างมากต่อสนามอุณหภูมิในเตาเผา ในการผลิตจริง สนามอุณหภูมิในเตาเผาต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดเพื่อให้แน่ใจถึงคุณภาพของผลิตภัณฑ์แก้วควอทซ์
เบนโทไนท์มีประเภทใดบ้างและมีการใช้งานแพร่หลายอะไรบ้าง?
เบนโทไนต์แบ่งออกเป็นหลายประเภท เช่น โซเดียมเบนโทไนต์ แคลเซียมเบนโทไนต์ ไฮโดรเจนเบนโทไนต์ และเบนโทไนต์อินทรีย์ ตามความแตกต่างของไอออนระหว่างชั้น
โซเดียมเบนโทไนต์: มีการบวม การดูดซับน้ำ การยึดเกาะ และความยืดหยุ่นได้ดีเยี่ยม และเป็นเบนโทไนต์ประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด
แคลเซียมเบนโทไนต์: เมื่อเปรียบเทียบกับโซเดียมเบนโทไนต์ การบวมและการยึดเกาะจะอ่อนกว่าเล็กน้อย แต่ราคาประหยัดกว่า และเหมาะสำหรับบางโอกาสที่มีความต้องการประสิทธิภาพต่ำ
ไฮโดรเจนเบนโทไนต์: มีคุณสมบัติทางเคมีพิเศษและสามารถแสดงคุณสมบัติเฉพาะตัวภายใต้เงื่อนไขเฉพาะบางประการ เช่น ความเสถียรของอุณหภูมิสูง
เบนโทไนต์อินทรีย์: ผ่านการดัดแปลงอินทรีย์ มีการกระจาย การแขวนลอย และความเสถียรที่ดีขึ้น และเหมาะสำหรับสาขาการใช้งานระดับไฮเอนด์
การใช้งานเบนโทไนต์อย่างกว้างขวาง
ความเก่งกาจของเบนโทไนต์ทำให้มีบทบาทสำคัญในสาขาต่างๆ และสาขาการใช้งานที่หลากหลายนั้นน่าทึ่งมาก
ด้านการก่อสร้าง: เบนโทไนต์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตวัสดุฉนวนกันเสียงและฉนวนความร้อนในอาคาร วัสดุเคลือบกันน้ำ วัสดุผนัง และผลิตภัณฑ์อื่นๆ เนื่องจากการขยายตัวและการยึดเกาะที่ยอดเยี่ยม จึงให้การสนับสนุนที่แข็งแกร่งสำหรับการพัฒนาสีเขียวของอุตสาหกรรมการก่อสร้าง
ด้านการปกป้องสิ่งแวดล้อม: เบนโทไนต์มีความสามารถในการดูดซับที่แข็งแกร่งและสามารถดูดซับสารที่เป็นอันตราย เช่น ไอออนของโลหะหนักและสารมลพิษอินทรีย์ในน้ำ เป็นวัสดุที่สำคัญในด้านการปกป้องสิ่งแวดล้อม ในเวลาเดียวกัน เบนโทไนต์ยังสามารถใช้ในการก่อสร้างชั้นป้องกันการซึมในหลุมฝังกลบเพื่อป้องกันการรั่วไหลของน้ำซึมจากหลุมฝังกลบได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ด้านโลหะวิทยา: เบนโทไนต์ส่วนใหญ่ใช้เป็นวัสดุบุผิวเตาในอุตสาหกรรมโลหะวิทยา ทนต่ออุณหภูมิสูงและการกัดเซาะ และปกป้องตัวเตาจากตะกรันที่อุณหภูมิสูง
ด้านการเกษตร: เบนโทไนต์มีหน้าที่ในการปรับปรุงโครงสร้างของดินและปรับปรุงความอุดมสมบูรณ์ของดิน การเติมเบนโทไนต์สามารถปรับปรุงการซึมผ่านของอากาศและการกักเก็บน้ำของดินได้ และส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืชผลได้
อุตสาหกรรมการหล่อ: เบนโทไนต์ใช้เป็นสารเคลือบและกาวในอุตสาหกรรมการหล่อเพื่อปรับปรุงคุณภาพพื้นผิวและความแข็งแรงของชิ้นงานหล่อ
อุตสาหกรรมอาหาร: เบนโทไนต์ใช้เป็นหลักในการฟอกสีและการทำให้บริสุทธิ์ในอุตสาหกรรมอาหาร เช่น การทำให้สีน้ำมันและไขมันจางลง การทำให้บริสุทธิ์ของสารละลายน้ำตาล เป็นต้น
การเจาะน้ำมัน: เบนโทไนต์เป็นวัตถุดิบสำคัญสำหรับโคลนเจาะน้ำมัน ซึ่งสามารถปรับความหนืด แรงเฉือน และการสูญเสียน้ำของโคลน และปรับปรุงประสิทธิภาพการเจาะ
ความต้องการอุปกรณ์ทำผงเบนโทไนต์
ด้วยการขยายตัวอย่างต่อเนื่องของพื้นที่การใช้งานเบนโทไนต์ ความต้องการอุปกรณ์ทำผงเบนโทไนต์ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน เมื่อเลือกอุปกรณ์บด จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยหลายประการ เช่น ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ กำลังการผลิต การใช้พลังงาน และบริการหลังการขาย
เมื่อเลือกผงแร่สำหรับพลาสติก ให้ดูที่ตัวบ่งชี้ 11 ประการนี้
วัสดุผงแร่ทั่วไปที่ใช้ในอุตสาหกรรมพลาสติก ได้แก่ แคลเซียมคาร์บอเนต (แคลเซียมหนัก แคลเซียมเบา แคลเซียมนาโน) ทัลค์ คาโอลิน วูลลาสโทไนต์ ผงบรูไซต์ ผงไมกา ผงแบริต์ แบริอุมซัลเฟต และอีกหลากหลายชนิด สำหรับวัตถุประสงค์หลักในการเพิ่มปริมาณการเติม โดยทั่วไปแล้วสามารถใช้กับหลายสิบถึงหลายร้อย phr สำหรับวัตถุประสงค์ในการปรับปรุงประสิทธิภาพและลดต้นทุน โดยทั่วไปสามารถใช้กับชิ้นส่วนได้หลายสิบชิ้น
คุณสมบัติของสารตัวเติมแร่อนินทรีย์มีผลกระทบมากมายต่อผลิตภัณฑ์พลาสติก รวมถึงองค์ประกอบและคุณสมบัติทางกายภาพและเคมี ขนาดและการกระจายของอนุภาค รูปร่างของอนุภาคและคุณสมบัติพื้นผิว รวมถึงความหนาแน่น ความแข็ง ความขาว เป็นต้น ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพและข้อกำหนดพารามิเตอร์กระบวนการของพลาสติก
1. ลักษณะรูปทรงเรขาคณิต
อิทธิพลของอนุภาคตัวเติมที่มีรูปทรงเรขาคณิตต่างๆ ต่อความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์พลาสติกโดยทั่วไปคือ เส้นใย > เกล็ด > คอลัมน์ > ลูกบาศก์ > ทรงกลม สารตัวเติมแบบเกล็ดช่วยปรับปรุงความแข็งแรงเชิงกลของผลิตภัณฑ์ แต่ไม่เอื้อต่อกระบวนการขึ้นรูป
2. ขนาดของอนุภาคและลักษณะพื้นผิว
โดยทั่วไป ยิ่งขนาดอนุภาคของสารตัวเติมแร่อโลหะอนินทรีย์มีขนาดเล็กเท่าไร คุณสมบัติเชิงกลของพลาสติกก็จะดีขึ้นเมื่อกระจายอย่างสม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม ในขณะที่ลดขนาดอนุภาคของอนุภาคตัวเติม เทคโนโลยีการประมวลผลจะซับซ้อนมากขึ้น และต้นทุนก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย
3. พื้นที่ผิวจำเพาะ
ยิ่งพื้นที่ผิวจำเพาะมีขนาดใหญ่ขึ้นเท่าไร ความสัมพันธ์ระหว่างสารตัวเติมและเรซินก็จะดีขึ้นเท่านั้น แต่การเปิดใช้งานพื้นผิวของสารตัวเติมจะยากขึ้นเท่านั้น และต้นทุนก็จะสูงขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม สำหรับอนุภาคตัวเติมที่มีปริมาตรเท่ากัน พื้นผิวที่หยาบขึ้น พื้นที่ผิวจำเพาะก็จะมากขึ้นเท่านั้น
4. ความหนาแน่น
อนุภาคที่มีรูปร่างต่างกันจะมีขนาดและการกระจายของอนุภาคที่แตกต่างกัน เมื่อมวลเท่ากัน ความหนาแน่นที่ปรากฏของอนุภาคที่มีความหนาแน่นจริงเท่ากันอาจไม่เท่ากันเนื่องจากปริมาตรการเรียงซ้อนที่แตกต่างกัน
5. ความแข็ง
ความแข็งสูงสามารถปรับปรุงความทนทานต่อการสึกหรอของผลิตภัณฑ์ได้ แต่จะทำให้เครื่องจักรแปรรูปสึกหรอ ผู้คนไม่ต้องการให้ข้อดีของการใช้สารตัวเติมถูกชดเชยด้วยการสึกหรอของอุปกรณ์แปรรูป สำหรับสารตัวเติมที่มีความแข็งระดับหนึ่ง ความเข้มของการสึกหรอของพื้นผิวโลหะของอุปกรณ์แปรรูปจะเพิ่มขึ้นตามขนาดอนุภาคของสารตัวเติมที่เพิ่มขึ้น และความเข้มของการสึกหรอจะมีแนวโน้มคงที่หลังจากขนาดอนุภาคถึงระดับหนึ่ง
6. สี
เพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจนในสีของเมทริกซ์ของวัสดุที่เติมหรือผลเสียต่อสีของเมทริกซ์ ข้อกำหนดการผลิตส่วนใหญ่จึงกำหนดให้มีความขาวสูงที่สุด
7. ค่าการดูดซับน้ำมัน
ค่าการดูดซับน้ำมันของสารตัวเติมส่งผลต่อปริมาณของพลาสติไซเซอร์ที่ใช้ในระบบการบรรจุและความสามารถในการแปรรูปของวัสดุ สารตัวเติมที่มีค่าการดูดซับน้ำมันต่ำจะมีความสามารถในการแปรรูปของระบบการบรรจุได้ดีและผสมกับเรซินได้ง่าย ซึ่งสามารถลดปริมาณพลาสติไซเซอร์ที่ใช้ได้
8. คุณสมบัติทางแสง
ผลิตภัณฑ์บางอย่างสามารถใช้การดูดซับแสงของสารตัวเติมเพื่อเพิ่มอุณหภูมิได้ เช่น เรือนกระจกพลาสติกทางการเกษตร
9. คุณสมบัติทางไฟฟ้า
ยกเว้นกราไฟต์แล้ว สารตัวเติมแร่อนินทรีย์ส่วนใหญ่นั้นเป็นฉนวนไฟฟ้า
10. องค์ประกอบทางเคมี
กิจกรรมทางเคมี คุณสมบัติพื้นผิว (ผลกระทบ) คุณสมบัติทางความร้อน คุณสมบัติทางแสง คุณสมบัติทางไฟฟ้า คุณสมบัติทางแม่เหล็ก ฯลฯ ของสารตัวเติมแร่อนินทรีย์ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีเป็นส่วนใหญ่
11. ผลกระทบทางเคมีความร้อน
พอลิเมอร์ติดไฟได้ง่าย แต่สารตัวเติมแร่อนินทรีย์ส่วนใหญ่ เนื่องจากไม่ติดไฟเอง จึงลดปริมาณสารที่ติดไฟได้หลังจากถูกเติมลงในเมทริกซ์พอลิเมอร์ และทำให้เมทริกซ์ติดไฟช้าลง สารตัวเติมหน่วงการติดไฟที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
โดยสรุป บทบาทของสารตัวเติมแร่อนินทรีย์และอโลหะในคอมโพสิตพอลิเมอร์สามารถสรุปได้ว่าเป็นการเพิ่ม เพิ่มประสิทธิภาพ และให้ฟังก์ชันใหม่ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสารตัวเติมแร่อนินทรีย์และอโลหะและพอลิเมอร์อินทรีย์มีความเข้ากันได้ไม่ดี จึงมีการดัดแปลงสารตัวเติมแร่อนินทรีย์และอโลหะเพื่อปรับปรุงความเข้ากันได้กับพอลิเมอร์อินทรีย์และหลีกเลี่ยงการกระจายตัวของความเค้นที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งเกิดจากการเติมโดยตรง