Baryt zeichnet sich durch hohe Dichte, stabile chemische Eigenschaften, Ungiftigkeit und starke Strahlungsabsorption aus und findet breite Anwendung. Oberflächenmodifizierung ist ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Leistung und Erweiterung des Anwendungsspektrums geworden.
Baryt ist ein nicht erneuerbarer Rohstoff. Der Hauptbestandteil von Baryt ist BaSO₄. Im Vergleich zu seiner theoretischen Zusammensetzung enthält natürlicher Baryt aufgrund isomorpher Substitution auch geringe Mengen an Sr, Pb und Ca. Baryt ist ein Sulfatmineral mit orthorhombischem Kristallsystem. Seine physikalischen und chemischen Eigenschaften sind relativ stabil. Es ist schwer wasser- und salzsäurelöslich. Seine Vorteile sind hohe Dichte, gutes Füllvermögen, Ungiftigkeit, Nichtmagnetismus, starke Strahlungsabsorption und gute optische Eigenschaften. Es ist ein wichtiges anorganisches Chemieprodukt und findet breite Anwendung unter anderem in der Petrochemie, Baustoff-, Kunststoff-, Beschichtungs-, Gummi- und Automobilbremsbelagindustrie.
Die Verwendung von Baryt als Füllstoff kann die Verarbeitungsleistung, die physikalischen Eigenschaften und die chemische Stabilität von anorganischen/polymeren Verbundwerkstoffen verbessern. Dadurch werden die Harzmenge und die Gesamtkosten deutlich reduziert. Aufgrund der hydrophilen Natur von Baryt, der unterschiedlichen Grenzflächeneigenschaften mit organischen Polymermatrizen und des Vorhandenseins von Oberflächeneffekten ist es für Baryt jedoch schwierig, sich gleichmäßig in organischen Materialien zu verteilen. Dieser Unterschied in den physikalischen und chemischen Eigenschaften zwischen Baryt und Polymer kann die Gesamtleistung des Verbundwerkstoffs beeinträchtigen. Die derzeit wirksamste Lösung besteht in der Oberflächenmodifizierung von Baryt. Dadurch kann ein Modifikator eine Adsorptionsschicht oder einen einschichtigen Film auf seiner Oberfläche bilden. Dadurch werden die Oberflächeneigenschaften verändert, die Dispergierbarkeit und die Kompatibilität mit organischen Materialien verbessert. Dies erweitert den Anwendungsbereich und steigert den Mehrwert des Produkts.
Die Oberflächenmodifizierung von Baryt und seine Anwendung als Füllstoff wurden umfassend untersucht. Welche Methoden zur Oberflächenmodifizierung gibt es? Wie wählt man eine geeignete Modifizierungsmethode, um den Anforderungen verschiedener Barytarten und ihren spezifischen Anwendungen gerecht zu werden?
Zu den derzeit wichtigsten Methoden zur Oberflächenmodifizierung von Baryt zählen die chemische Oberflächenbeschichtung, die mechanochemische Behandlung und die chemische Abscheidung.
1. Chemische Oberflächenbeschichtungsmethode
Bei der chemischen Oberflächenbeschichtung werden chemische Wechselwirkungen genutzt, um die Partikeloberflächen gleichmäßig und stabil mit Modifikatoren zu beschichten und so die Oberflächeneigenschaften der Partikel zu verändern.
Xiao Qin et al. verwendeten Natriumdodecylsulfat als Modifikator. Nach der Modifizierung bildete sich auf der Oberfläche der Barytpartikel eine Beschichtung. Die Studie ergab, dass die Sedimentationsrate und das Volumen von Baryt in Kerosin stark reduziert waren. Seine Natur änderte sich von hydrophil zu lipophil, wobei der Kontaktwinkel auf 150,8° anstieg. Zhou Hong et al. nutzten diese Methode auch, um die Hydrophobie von Baryt anzupassen. Die Methode verbessert seine Dispergierbarkeit in Kerosin und reduziert Partikelgröße und Agglomeration. Dies wurde auf die Reaktion ungesättigter Kationen auf der Barytoberfläche mit Stearat- und Natriumoleat-Ionen zurückgeführt, wodurch eine organische Beschichtung mit langen Kohlenwasserstoffketten entstand.
Der Oberflächenmodifikator wird entweder an der Barytoberfläche adsorbiert oder reagiert mit Oberflächenhydroxylgruppen unter Bildung chemischer Bindungen, wodurch eine organische Beschichtung entsteht. Dies verhindert die Partikelagglomeration durch sterische Abstoßung oder elektrostatische Kräfte und verbessert so die Dispergierbarkeit. Obwohl diese Methode komplexer ist, ist sie auch effektiver. Um eine großflächige Anwendung zu ermöglichen, sind daher weitere Prozessoptimierungen und Verbesserungen der Beschichtungseffizienz erforderlich.
2. Mechanochemische Methode
Bei der mechanochemischen Methode wird hauptsächlich mechanische Kraft eingesetzt, um die Partikeloberfläche zu aktivieren. Dadurch werden chemische Reaktionen zwischen den Partikeln und dem Modifikator gefördert und so eine Oberflächenbeschichtung erreicht.
Huang Xiangyang et al. verwendeten die Nasskugelmahlmethode, um das Polymerdispergiermittel und den Baryt-Rohstoff gemeinsam zu vermahlen. Durch die mechanische Kraft verringerte sich die Partikelgröße des Pulvers, und die Aktivierungsstellen an der Oberfläche erleichterten die Polymerisation des Dispergiermittels auf der Barytoberfläche. Dies reduzierte die benötigte Initiatormenge und führte zu aktivem Barytpulver mit feiner Partikelgröße und hoher Dispergierbarkeit, was die Dispergierbarkeit und Stabilität von Beschichtungen deutlich verbesserte.
Chen Youshuang et al. gelang es, mithilfe der mechanischen Kraft eines Hochgeschwindigkeitsmischers Stearinsäure auf die Oberfläche von Baryt aufzutragen. Ihr Experiment erzeugt aktives Barytpulver, das Ruß als neues Verstärkungsmaterial in Gummi ersetzen kann. Ihre Studie ergab, dass die Einarbeitung einer angemessenen Menge an aktivem Baryt die mechanischen Eigenschaften von Baryt-Gummi-Verbundwerkstoffen verbesserte. Diese Verbesserung ist auf die Fähigkeit der mechanochemischen Modifikation zurückzuführen, Partikelagglomeration zu verhindern. Sie verbessert außerdem die Dispergierbarkeit und Verträglichkeit innerhalb der Polymermatrix.
Wang et al. stellten Baryt/TiO₂-Verbundwerkstoffe durch mechanochemisches Nassmahlen her. Die Ergebnisse zeigten, dass die beim Nassmahlen freigesetzte mechanische Energie die Titandioxid-Beschichtung der Barytoberfläche förderte. Die Wirksamkeit der Beschichtung wurde durch Faktoren wie Geschwindigkeit und Dauer des gemeinsamen Mahlens beeinflusst. Unter optimalen Bedingungen waren die Pigmenteigenschaften der Baryt/TiO₂-Verbundwerkstoffe mit denen von reinem TiO₂ vergleichbar.
Mechanismus der mechanochemischen Modifikation von Baryt:
Dieses Verfahren basiert hauptsächlich auf ultrafeinem Mahlen und anderen intensiven mechanischen Kräften, um die freie Oberflächenenergie von Pulverpartikeln gezielt zu aktivieren. Dies verändert die Oberflächenstruktur und -eigenschaften und verursacht Gitterverzerrungen und -versetzungen. Es erhöht die Reaktivität mit Modifikatoren, verbessert die Pulveraktivität, sorgt für eine gleichmäßigere Partikelverteilung und stärkt die Grenzflächenbindung mit der Matrix. Der mechanochemische Modifizierungsprozess ist relativ einfach und kostengünstig und findet bereits breite praktische Anwendung.
Es eignet sich besonders für Baryt mit größeren Partikelgrößen. Bei nanometergroßem Baryt ist die Wirksamkeit einer einzelnen mechanochemischen Modifizierungsmethode jedoch begrenzt. Daher sollte sich die zukünftige Entwicklung auf die Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Wechselwirkungen zwischen Pulver und Modifikator konzentrieren. Dies reduziert die benötigte Modifikatormenge, verbessert die Beschichtungswirksamkeit durch kombinierte Modifizierungstechniken und führt neue Geräte wie Strahlmühlen und Wabenmischer ein, um den Prozess zu vereinfachen, den Energieverbrauch zu senken und die Umweltfreundlichkeit zu verbessern.
3. Chemische Abscheidungsmethode
Bei der chemischen Abscheidung wird einer Partikelsuspension ein Modifikator oder Fällungsmittel zugesetzt, das reagiert und sich auf der Partikeloberfläche abscheidet. Nach der Fällung werden Prozesse wie Waschen, Filtrieren, Trocknen und Kalzinieren eingesetzt, um eine feste Beschichtung auf der Partikeloberfläche zu bilden. Dieses Verfahren verbessert die optischen, elektrischen, magnetischen und thermischen Eigenschaften der Partikel.
Hu Xinghang et al. stellten ein Baryt/Titandioxid-Kompositpigment her, indem sie zwei modifizierte Pulverschlämme mischten, rührten, filterten, trockneten und mahlten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Barytoberfläche nach der Hydrophobierung gleichmäßig mit TiO₂-Partikeln beschichtet war. Das resultierende Kompositpigment wies eine mit reinem Titandioxid vergleichbare Ölabsorption und Deckkraft auf und konnte als Pigmentersatz verwendet werden.
Zhou et al. verwendeten eine TiOSO₄-Lösung in einem chemischen Fällungsverfahren, bei dem Hydrolyse und Fällung einen Hydrolysekomplex bildeten. Nach Entfernung von Verunreinigungen, Trocknung und Kalzinierung wurden Baryt/TiO₂-Kompositpartikel erhalten. Die Studie ergab, dass Baryt und TiO₂ durch chemische Wechselwirkungen stark verbunden waren. Das Ergebnis sind Kompositpulver mit einer gleichmäßigen und dichten Struktur, die ähnliche Pigmenteigenschaften wie TiO₂ aufweisen.
Mechanismus der chemischen Ablagerungsmodifizierung von Baryt:
Dieses Verfahren nutzt hauptsächlich chemische Reaktionen, um Modifikatoren auf der Oberfläche von Barytpartikeln abzuscheiden und so eine oder mehrere Beschichtungsschichten zu bilden. Die Beschichtung reduziert die Oberflächenaktivität der Partikel, verhindert Agglomeration und verbessert die Dispergierbarkeit und Stabilität des Baryts in verschiedenen Medien. Dieses Verfahren eignet sich besonders für anorganische Oberflächenmodifikatoren. Der Reaktionsprozess ist jedoch schwer kontrollierbar, und die Erzielung einer gleichmäßigen Beschichtung bleibt eine Herausforderung. Daher bedarf es weiterer Forschung, um die Prozessparameter und zugrundeliegenden Mechanismen, die die Gleichmäßigkeit der Abscheidung beeinflussen, zu erforschen und die Steuerbarkeit des Prozesses zu verbessern.
Von den drei Oberflächenmodifizierungsverfahren für Baryt ist die chemische Oberflächenbeschichtung ein relativ komplexer Prozess. Das mechanochemische Verfahren eignet sich vor allem für Baryt mit größeren Partikeln. Die chemische Abscheidung birgt Herausforderungen bei der Prozesskontrolle. Daher stellen kombinierte Modifizierungsverfahren, die mehrere Techniken kombinieren, eine vielversprechende Entwicklungsrichtung dar. Sie können die Einschränkungen einzelner Modifizierungsverfahren ausgleichen.
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