Функциональные материалы представляют собой один из наиболее динамично развивающихся секторов в области исследований, разработок и производства полимеров. Сверхтонкий порошок Это не только функциональный материал сам по себе, но и важнейший компонент в современных композитных материалах. Его уникальные свойства позволяют ему играть жизненно важную роль в различных секторах мировой экономики.
I. Свойства и области применения ультрадисперсных порошков
1. Характеристики поверхности
Наука и технология ультрадисперсных порошков в последние годы стали новой дисциплиной и составляют неотъемлемую часть материаловедения. Хотя определения различаются, порошки с размером частиц >1 мкм обычно называют микропорошками; порошки с размером частиц от 0,1 мкм до 1 мкм — субмикронными порошками; а порошки с размером частиц <100 нм — нанопорошками. Некоторые также классифицируют порошки с размером частиц <3 мкм как ультрадисперсные. Существует три типа ультрадисперсных порошков: микронные, субмикронные и нанопорошки. Связь между размером частиц и свойствами выглядит следующим образом.
| Диапазон размеров частиц | Классификация | Типичные характеристики |
| >1 мкм | Микронный порошок | Ограниченные поверхностные эффекты |
| 0,1–1 мкм | Субмикронный порошок | Значительная поверхностная активность |
| <100 нм | Нанопорошок | Преобладающие поверхностные и квантовые эффекты |
2. Структура поверхности и химическая активность
Кристаллические структуры — классифицируемые как плотноупакованные, скелетные, слоистые или цепочечные — разрушаются вдоль наиболее слабых точек связи при воздействии внешней силы. Это расщепление создает ненасыщенные связи (некомпенсированные разорванные связи) на свежей поверхности.
- Высокая степень ненасыщенности: Поверхности, на которых преобладают ионные или ковалентные связи, приводят к полярные поверхности.
- Низкая степень ненасыщенности: Поверхности, на которых преобладают молекулярные связи, приводят к неполярные поверхности.
Распределение и плотность этих поверхностных функциональных групп определяют, как порошок взаимодействует с полимерами и другими матрицами.
3. Ключевые промышленные применения
(1) Пластмассы и полимеры
В химической промышленности ультрадисперсные порошки играют важную роль в производстве покрытий, резины, бумаги и синтетических волокон. В пластмассах они выступают в качестве... укрепляющие и закаливающие агенты. Например, модифицированная поверхность. Нанокарбонат кальция Значительно повышает ударную вязкость материалов с надрезом, сохраняя при этом превосходную технологичность. Также предотвращает УФ-старение и обеспечивает такие функциональные свойства, как антистатические, огнестойкие и самоочищающиеся характеристики.
(2) Катализаторы
Благодаря большой удельной поверхности и неполной координации атомов на поверхности, ультрадисперсные порошки обладают увеличенным количеством активных центров, высокой каталитической активностью и селективностью. Наноразмерные катализаторы считаются в международном масштабе катализаторами четвертого поколения. Они значительно увеличивают скорость реакции, сокращают время реакции и повышают эффективность производства. Например, теплотворная способность на грамм топлива может удвоиться.
(3) Усовершенствованные покрытия
Для получения наномодифицированных и наноструктурированных покрытий используются ультрадисперсные порошки. Благодаря включению наночастиц традиционные покрытия приобретают улучшенные оптические, механические и экологические свойства. Примерами являются нанокерамические покрытия, антипригарные покрытия, самоочищающиеся покрытия и покрытия, устойчивые к абляции, используемые в аэрокосмической отрасли.
(4) Керамика и датчики
Керамика: Высокая поверхностная энергия, обилие поверхностных атомов и высокая активность позволяют ультрадисперсным порошкам выступать в качестве активаторов спекания — ускоряя процесс спекания, сокращая время обработки и снижая температуру спекания. Они также улучшают микроструктуру и повышают эксплуатационные характеристики, обеспечивая уплотнение при более низких температурах — идеально подходит для электронной керамики.
Специальные функциональные материалы: Свойства поверхности ультрадисперсных порошков делают их чрезвычайно чувствительными к температуре, свету, влажности и т. д. Изменения окружающей среды быстро изменяют валентные состояния поверхности или ионов, а также электронный транспорт, что приводит к значительным изменениям сопротивления. Это делает их перспективными для создания высокочувствительных, высокопроизводительных и селективных датчиков.
(5) Ежедневные химикаты и косметика
Нанотехнологии открывают огромный потенциал в антибактериальных, дезодорирующих и воздухоочистительных приложениях. Наночастицы TiO₂ и ZnO продемонстрировали фотокаталитическое и бактерицидное действие в воздухоочистителях, стиральных машинах, холодильниках, зубных щетках, полотенцах и многом другом. В средствах по уходу за кожей и косметике ультрадисперсные порошки играют ключевую роль – например, наночастицы TiO₂ в солнцезащитных кремах улучшают качество и эффективность защиты от солнца. Зубная паста, шампунь, средство для мытья посуды и чистящие порошки также выигрывают от ультрадисперсного измельчения, которое значительно повышает их эффективность.
(6) Медицина и биотехнология
Сверхтонкие частицы совершают революцию в этой области. адресная доставка лекарств. Благодаря своей биосовместимости и способности всасываться определенными органами (печенью, селезенкой и т. д.), они позволяют создавать системы контролируемого высвобождения, поддерживающие эффективную концентрацию лекарственного средства в течение более длительного периода, что повышает биодоступность.
II. Механизмы модификации поверхности при порошковом наполнении
При использовании ультрадисперсных порошков в качестве наполнителей в пластмассах, зона интерфейса Граница раздела фаз также связывает смоляную матрицу и наполнитель. Эта граница раздела также разделяет композит на множество микродоменов, которые предотвращают распространение трещин, прерывают повреждения и снимают концентрацию напряжений. Современные теории механизмов взаимодействия фаз включают:
Существует шесть основных теорий, касающихся механизма взаимодействия веществ и поверхностей:
| Теория | Основной механизм |
| Теория химической связи | Прочная адгезия формируется за счет химических реакций между поверхностью наполнителя, связующими агентами и полимерной матрицей. |
| Межфазное смачивание | Основное внимание уделяется механическому закреплению и физической адсорбции (силы Ван дер Ваальса). Хорошее смачивание предотвращает концентрацию напряжений. |
| Расслабление | Предполагается наличие “самовосстанавливающегося” соединения, при котором лечебные агенты скользят и повторно соединяются под воздействием нагрузки, предотвращая разрушение материала. |
| Деформируемый слой | На границе раздела образуется пластиковый слой, поглощающий энергию удара и предотвращающий распространение трещин. |
| Ограничительный слой | Вспомогательное вещество создает градиент модуля упругости между жестким наполнителем и гибкой смолой, обеспечивая равномерное распределение напряжений. |
| Теория трения | Адгезия обусловлена коэффициентом трения между матрицей и наполнителем; обработка поверхности увеличивает этот коэффициент. |
2.1 Теория химической связи
Прочная связь между наполнителем и смолой возникает за счет химических связей. Они могут образовываться несколькими способами: реакция между функциональными группами смолы и наполнителя; обработка поверхности наполнителя связующими агентами или гипердисперсантами – когда одна часть агента реагирует с группами на поверхности наполнителя, а другая – с макромолекулами смолы; или молекулы поверхностно-активных веществ, которые образуют химические связи с наполнителем с одной стороны и прочные взаимодействия (или связи) со смолой с другой. Эта теория объясняет роль агентов для обработки поверхности и помогает в их выборе и синтезе для модифицированных полимеров с неорганическими наполнителями.
2.2 Теория смачивания
Сцепление между наполнителем и смолой происходит за счет механической адгезии и адсорбции при смачивании. Механическая адгезия — это явление механического сцепления: макромолекулы смолы проникают в углубления и поры поверхности. Адсорбция при смачивании — это физическая адсорбция посредством сил Ван дер Ваальса. Оба процесса часто сосуществуют. Хорошее смачивание наполнителя смолой имеет решающее значение; плохое смачивание приводит к отслоению под напряжением, созданию концентрации напряжений и преждевременному разрушению. Полное смачивание обеспечивает адгезию, превышающую энергию когезии смолы, что позволяет получать эффективные композиты.
2.3 Теория пониженного локального напряжения
Вспомогательные вещества, используемые в качестве пропитки между смолой и наполнителем, обеспечивают “самовосстанавливающиеся” химические связи. Под воздействием внешних сил эти связи находятся в динамическом равноверии – они разрываются и восстанавливаются. Когда низкомолекулярные вещества (например, вода) воздействуют на композит, химические связи на границе раздела разрываются; под действием напряжения вещество может перемещаться в новые положения и восстанавливать связи, поддерживая адгезионную прочность. Этот процесс снижает напряжение и уменьшает концентрацию микронапряжений, замедляя повреждение композита.
2.4 Теория деформационных слоев
Средства для обработки поверхности образуют пластичный слой между наполнителем и смолой. Под нагрузкой этот слой деформируется, снижает межфазное напряжение и предотвращает распространение трещин, защищая композит от разрушения.
2.5 Теория ингибиторного слоя (интерфазы)
Защитные агенты для поверхности составляют часть межфазной границы, имея модуль упругости, находящийся между модулем упругости высокомодульного наполнителя и низкомодульной смолы. Этот градиент равномерно передает напряжение, снижая концентрацию напряжений на границе раздела фаз.
2.6 Теория трения
Адгезия на границе раздела смола-наполнитель возникает в результате трения. Коэффициент трения определяет прочность композита. Обработка поверхности увеличивает коэффициент трения между смолой и наполнителем, тем самым повышая прочность композита.
Для производителей
Для компаний, использующих струйное фрезерование технологии, Понимание этих поверхностных механизмов имеет решающее значение. Достижение правильного размера частиц — это только половина дела. Успех конечного композита зависит от того, как порошок модифицирован для взаимодействия с окружающей средой. Ультрадисперсные порошки обладают уникальными поверхностными свойствами и структурами, которые позволяют использовать их в самых разных областях — от пластмасс и катализаторов до покрытий, функциональных материалов, бытовой химии и биомедицины. Понимание механизмов модификации их поверхности (химическая связь, смачивание, релаксация напряжений, деформация/межфазные слои и трение) позволяет инженерам проектировать высокоэффективные композиты и функциональные материалы. По мере дальнейшего развития технологии ультрадисперсных порошков ее применение будет расширяться.
ЭПИК Порошок
Эпический порошок, Более 20 лет опыта в индустрии ультратонких порошков. Наша команда обладает более чем 20-летним опытом обработки различных порошков. Мы активно содействуем будущему развитию ультратонких порошков, уделяя особое внимание процессам дробления, измельчения, классификации и модификации ультратонких порошков. Связаться с нами Получите бесплатную консультацию и индивидуальные решения уже сегодня!
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете свяжитесь с EPIC Представитель по работе с клиентами Powder Online Зельда для любых дальнейших запросов».
— Джейсон Ван, Инженер