La barita ofrece ventajas como alta densidad, propiedades químicas estables, ausencia de toxicidad y alta absorción de radiación, y se ha utilizado ampliamente. La modificación de superficies se ha convertido en un método importante para mejorar su rendimiento y ampliar su rango de aplicación.
La barita es un recurso no renovable. Su principal componente es el BaSO₄. En comparación con su composición teórica, la barita natural también contiene pequeñas cantidades de Sr, Pb y Ca debido a la sustitución isomórfica. La barita es un mineral de sulfato con un sistema cristalino ortorrómbico. Sus propiedades físicas y químicas son relativamente estables. Es difícil de disolver en agua y ácido clorhídrico. Presenta las ventajas de alta densidad, buena capacidad de relleno, no toxicidad, no magnetismo, alta absorción de radiación y buenas propiedades ópticas. Es un importante producto químico inorgánico y se utiliza ampliamente en las industrias petroquímica, de materiales de construcción, plásticos, recubrimientos, caucho y pastillas de freno para automóviles, entre otras.
Cuando la barita se utiliza como relleno, puede mejorar el rendimiento del procesamiento, las propiedades físicas y la estabilidad química de los materiales compuestos inorgánicos/poliméricos. Esto reduce significativamente la cantidad de resina y el costo total. Sin embargo, debido a la naturaleza hidrófila de la barita, la diferencia en las propiedades interfaciales con matrices poliméricas orgánicas y la presencia de efectos superficiales, es difícil que la barita se disperse uniformemente en materiales orgánicos. Esta diferencia en las propiedades físicas y químicas entre la barita y el polímero puede afectar el rendimiento general del material compuesto. Actualmente, la solución más efectiva es la modificación de la superficie de la barita. Esto permite que un modificador forme una capa de adsorción o una película monocapa sobre su superficie. Esto altera las propiedades de la superficie, mejora la dispersabilidad y la compatibilidad con materiales orgánicos. Además, amplía su rango de aplicación y aumenta el valor agregado del producto.
La modificación superficial de la barita y su aplicación como relleno han sido ampliamente estudiadas. ¿Cuáles son los métodos de modificación superficial disponibles? ¿Cómo elegir el método de modificación adecuado para satisfacer las necesidades de los diferentes tipos de barita y sus aplicaciones específicas?
Actualmente, los principales métodos de modificación de la superficie de la barita incluyen el recubrimiento químico de la superficie, el tratamiento mecanoquímico y la deposición química.
1. Método de recubrimiento químico de superficies
El método de recubrimiento químico de superficies utiliza interacciones químicas para recubrir de manera uniforme y estable los modificadores sobre las superficies de las partículas, alterando así las propiedades superficiales de las partículas.
Xiao Qin et al. utilizaron dodecil sulfato de sodio como modificador. Tras la modificación, se formó un recubrimiento sobre la superficie de las partículas de barita. El estudio reveló una reducción significativa de la velocidad de sedimentación y el volumen de barita en queroseno. Su naturaleza cambió de hidrófila a lipófila, con un ángulo de contacto que aumentó a 150,8°. Zhou Hong et al. también utilizaron este método para ajustar la hidrofobicidad de la barita. El método mejora su dispersabilidad en queroseno y reduce el tamaño de partícula y la aglomeración. Esto se atribuyó a la reacción de los cationes insaturados de la superficie de la barita con los iones de estearato y oleato de sodio, formando un recubrimiento orgánico con largas cadenas de hidrocarburos.
El modificador de superficie se adsorbe sobre la superficie de la barita o reacciona con los grupos hidroxilo superficiales para formar enlaces químicos, lo que resulta en un recubrimiento orgánico. Esto evita la aglomeración de partículas por repulsión estérica o fuerzas electrostáticas, mejorando así la dispersabilidad. Si bien este método es más complejo, también es más eficaz. Por lo tanto, para permitir su aplicación a gran escala, es necesario optimizar aún más el proceso y mejorar la eficiencia del recubrimiento.
2. Método mecanoquímico
El método mecanoquímico utiliza principalmente fuerza mecánica para activar la superficie de la partícula, promoviendo reacciones químicas entre las partículas y el modificador, logrando así el recubrimiento de la superficie.
Huang Xiangyang et al. aplicaron el método de molienda de bolas húmeda para moler conjuntamente el dispersante polimérico y la barita como materia prima. Bajo la acción de la fuerza mecánica, el tamaño de partícula del polvo disminuyó y los sitios de activación superficiales facilitaron la polimerización del dispersante sobre la superficie de la barita. Esto redujo la cantidad de iniciador necesario y dio como resultado un polvo de barita activo con un tamaño de partícula fino y alta dispersabilidad, mejorando significativamente la dispersabilidad y la estabilidad de los recubrimientos.
Chen Youshuang et al. aplicaron con éxito ácido esteárico sobre la superficie de barita mediante la fuerza mecánica de un mezclador de alta velocidad. Su experimento produce polvo de barita activa que puede sustituir al negro de humo como nuevo material de refuerzo en caucho. Su estudio reveló que la incorporación de una cantidad adecuada de barita activa mejoró las propiedades mecánicas de los compuestos de barita y caucho. Esta mejora se atribuye a la capacidad de la modificación mecanoquímica para prevenir la aglomeración de partículas. También mejora la dispersabilidad y la compatibilidad dentro de la matriz polimérica.
Wang et al. prepararon materiales compuestos de barita/TiO₂ mediante molienda mecanoquímica en húmedo. Los resultados mostraron que la energía mecánica liberada durante la molienda en húmedo promovió el recubrimiento de dióxido de titanio sobre la superficie de la barita. La efectividad del recubrimiento se vio influenciada por factores como la velocidad y la duración de la molienda conjunta. En condiciones óptimas, las propiedades pigmentarias de los compuestos de barita/TiO₂ resultaron ser comparables a las del TiO₂ puro.
Mecanismo de modificación mecanoquímica de la barita:
Este método se basa principalmente en la molienda ultrafina y otras fuerzas mecánicas intensas para activar intencionalmente la energía libre superficial de las partículas de polvo. Esto altera la estructura y las propiedades de la superficie, provocando distorsión reticular y dislocación. Mejora la reactividad con modificadores, mejora la actividad del polvo, asegura una distribución más uniforme de las partículas y refuerza la unión interfacial con la matriz. El proceso de modificación mecanoquímica es relativamente simple y rentable, y ya cuenta con una amplia aplicación práctica.
Es especialmente adecuado para barita con partículas de mayor tamaño. Sin embargo, para barita de tamaño nanométrico, la eficacia de usar un solo método de modificación mecanoquímica es limitada. Por lo tanto, el desarrollo futuro debe centrarse en mejorar la uniformidad de las interacciones entre el polvo y el modificador. Esto reduce la cantidad requerida de modificador, mejora la eficacia del recubrimiento mediante técnicas de modificación combinadas e introduce nuevos equipos, como molinos de chorro y mezcladores de panal, para simplificar el proceso, reducir el consumo de energía y mejorar el respeto al medio ambiente.
3. Método de deposición química
El método de deposición química consiste en añadir un modificador o precipitante a una suspensión de partículas, que reacciona y precipita sobre su superficie. Tras la precipitación, se utilizan procesos como lavado, filtración, secado y calcinación para formar un recubrimiento firme sobre la superficie de la partícula. Este método mejora las propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas y térmicas de las partículas.
Hu Xinghang et al. prepararon un pigmento compuesto de barita y dióxido de titanio mediante la mezcla, agitación, filtración, secado y molienda de dos suspensiones de polvo modificadas. Los resultados mostraron que, tras la regulación hidrofóbica, la superficie de la barita quedó uniformemente recubierta de partículas de TiO₂. El pigmento compuesto resultante presentó una absorción de aceite y un poder cubriente comparables al del dióxido de titanio puro, por lo que podría utilizarse como pigmento sustituto.
Zhou et al. utilizaron una solución de TiOSO₄ en un método de precipitación química, donde la hidrólisis y la precipitación formaron un complejo de hidrólisis. Tras la eliminación de impurezas, el secado y la calcinación, se obtuvieron partículas compuestas de barita/TiO₂. El estudio reveló que la barita y el TiO₂ se unían fuertemente mediante interacciones químicas. Esto da como resultado polvos compuestos con una estructura uniforme y densa, con propiedades pigmentarias similares a las del TiO₂.
Mecanismo de modificación de la deposición química de la barita:
Este método se basa principalmente en reacciones químicas para depositar modificadores sobre la superficie de las partículas de barita, formando una o más capas de recubrimiento. El recubrimiento reduce la actividad superficial de las partículas, previene la aglomeración y mejora la dispersabilidad y estabilidad de la barita en diversos medios. Este método es especialmente adecuado para modificadores de superficie inorgánicos. Sin embargo, el proceso de reacción es difícil de controlar, y lograr un recubrimiento uniforme sigue siendo un reto. Por lo tanto, se necesita más investigación para explorar los parámetros del proceso y los mecanismos subyacentes que influyen en la uniformidad de la deposición, con el objetivo de mejorar la controlabilidad del proceso.
Entre los tres métodos de modificación superficial para la barita, el método de recubrimiento químico implica un proceso relativamente complejo. El método mecanoquímico es principalmente adecuado para barita con partículas de mayor tamaño. El método de deposición química presenta desafíos en el control del proceso. Por consiguiente, los métodos de modificación compuesta, que combinan múltiples técnicas, se perfilan como una prometedora línea de desarrollo. Permiten compensar las limitaciones de los procesos de modificación individuales.
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