La barytine présente les avantages d'une densité élevée, de propriétés chimiques stables, d'une non-toxicité et d'une forte absorption des radiations, ce qui lui confère une large utilisation. La modification de surface est devenue un moyen important d'améliorer ses performances et d'élargir son champ d'application.
La barytine est une ressource non renouvelable. Son principal composant est le BaSO₄. Comparativement à sa composition théorique, la barytine naturelle contient également de faibles quantités de Sr, Pb et Ca, dues à une substitution isomorphe. La barytine est un minéral sulfaté doté d'un système cristallin orthorhombique. Ses propriétés physiques et chimiques sont relativement stables. Elle est difficilement soluble dans l'eau et l'acide chlorhydrique. Elle présente les avantages suivants : une densité élevée, une bonne capacité de remplissage, une non-toxicité, un amagnétisme, une forte absorption des radiations et de bonnes propriétés optiques. C'est un produit chimique inorganique important, largement utilisé dans les industries pétrochimique, des matériaux de construction, des plastiques, des revêtements, du caoutchouc et des plaquettes de frein automobiles, entre autres.
L'utilisation de la barytine comme charge peut améliorer les performances de mise en œuvre, les propriétés physiques et la stabilité chimique des matériaux composites inorganiques/polymères. Cela réduit considérablement la quantité de résine et le coût global. Cependant, en raison de sa nature hydrophile, de ses propriétés interfaciales différentes avec les matrices polymères organiques et de la présence d'effets de surface, la barytine a du mal à se disperser uniformément dans les matériaux organiques. Cette différence de propriétés physiques et chimiques entre la barytine et le polymère peut affecter les performances globales du matériau composite. Actuellement, la solution la plus efficace est la modification de surface de la barytine. Un modificateur peut ainsi former une couche d'adsorption ou un film monocouche à sa surface. Cela modifie les propriétés de surface, améliore la dispersibilité et la compatibilité avec les matériaux organiques. Cela élargit son champ d'application et accroît la valeur ajoutée du produit.
La modification de surface de la barytine et son application comme charge ont été largement étudiées. Quelles sont les méthodes de modification de surface disponibles ? Comment choisir une méthode adaptée aux besoins des différents types de barytine et à leurs applications spécifiques ?
Actuellement, les principales méthodes de modification de surface de la barytine comprennent le revêtement chimique de surface, le traitement mécanochimique et le dépôt chimique.
1. Méthode de revêtement chimique de surface
La méthode de revêtement chimique de surface utilise des interactions chimiques pour appliquer de manière uniforme et stable des modificateurs sur les surfaces des particules, modifiant ainsi les propriétés de surface des particules.
Xiao Qin et al. ont utilisé du dodécyl sulfate de sodium comme modificateur. Après modification, un revêtement s'est formé à la surface des particules de barytine. L'étude a révélé que la vitesse de sédimentation et le volume de barytine dans le kérosène étaient considérablement réduits. Sa nature est passée d'hydrophile à lipophile, l'angle de contact augmentant à 150,8°. Zhou Hong et al. ont également utilisé cette méthode pour ajuster l'hydrophobie de la barytine. Cette méthode améliore sa dispersibilité dans le kérosène et réduit la taille et l'agglomération des particules. Cela a été attribué à la réaction des cations insaturés à la surface de la barytine avec les ions stéarate et oléate de sodium, formant un revêtement organique à longues chaînes hydrocarbonées.
Le modificateur de surface est soit adsorbé à la surface de la barytine, soit réagit avec les groupes hydroxyles de surface pour former des liaisons chimiques, formant ainsi un revêtement organique. Cela empêche l'agglomération des particules par répulsion stérique ou forces électrostatiques, améliorant ainsi la dispersibilité. Bien que cette méthode soit plus complexe, elle est également plus efficace. Par conséquent, pour permettre une application à grande échelle, une optimisation supplémentaire du procédé et une amélioration de l'efficacité du revêtement sont nécessaires.
2. Méthode mécanochimique
La méthode mécanochimique utilise principalement la force mécanique pour activer la surface des particules, favorisant les réactions chimiques entre les particules et le modificateur, obtenant ainsi un revêtement de surface.
Huang Xiangyang et al. ont appliqué la méthode du broyage humide à boulets pour broyer ensemble le dispersant polymère et la matière première de barytine. Sous l'effet de la force mécanique, la granulométrie de la poudre a diminué et les sites d'activation en surface ont facilité la polymérisation du dispersant à la surface de la barytine. Cela a permis de réduire la quantité d'initiateur nécessaire et d'obtenir une poudre de barytine active à granulométrie fine et à dispersibilité élevée, améliorant ainsi significativement la dispersibilité et la stabilité des revêtements.
Chen Youshuang et al. ont réussi à appliquer de l'acide stéarique sur la surface de la barytine grâce à la force mécanique d'un mélangeur à grande vitesse. Leur expérience produit une poudre de barytine active qui peut remplacer le noir de carbone comme nouveau matériau de renforcement dans le caoutchouc. Leur étude a montré que l'incorporation d'une quantité appropriée de barytine active améliorait les propriétés mécaniques des composites barytine/caoutchouc. Cette amélioration est attribuée à la capacité de la modification mécanochimique à empêcher l'agglomération des particules. Elle améliore également la dispersibilité et la compatibilité au sein de la matrice polymère.
Wang et al. ont préparé des matériaux composites barytine/TiO₂ par broyage mécanochimique humide. Les résultats ont montré que l'énergie mécanique libérée lors du broyage humide favorisait le dépôt de dioxyde de titane sur la surface de la barytine. L'efficacité du revêtement était influencée par des facteurs tels que la vitesse et la durée du co-broyage. Dans des conditions optimales, les propriétés pigmentaires des composites barytine/TiO₂ se sont avérées comparables à celles du TiO₂ pur.
Mécanisme de modification mécanochimique de la barytine :
Cette méthode repose principalement sur un broyage ultrafin et d'autres forces mécaniques intenses pour activer intentionnellement l'énergie libre de surface des particules de poudre. Cela modifie la structure et les propriétés de surface, provoque une distorsion du réseau et des dislocations. Elle améliore la réactivité avec les modificateurs, améliore l'activité de la poudre, assure une distribution plus uniforme des particules et renforce la liaison interfaciale avec la matrice. Relativement simple et économique, ce procédé de modification mécanochimique a déjà fait l'objet de nombreuses applications pratiques.
Il est particulièrement adapté à la barytine à particules de grande taille. Cependant, pour la barytine nanométrique, l'efficacité d'une seule méthode de modification mécanochimique est limitée. Par conséquent, les développements futurs devraient se concentrer sur l'amélioration de l'uniformité des interactions entre la poudre et le modificateur. Cela permettra de réduire la quantité de modificateur requise, d'améliorer l'efficacité du revêtement grâce à des techniques de modification combinées et d'introduire de nouveaux équipements, tels que les broyeurs à jet et les mélangeurs en nid d'abeille, afin de simplifier le procédé, de réduire la consommation d'énergie et d'améliorer le respect de l'environnement.
3. Méthode de dépôt chimique
La méthode de dépôt chimique consiste à ajouter un modificateur ou précipitant à une suspension de particules, qui réagit et précipite à la surface des particules. Après précipitation, des procédés tels que le lavage, la filtration, le séchage et la calcination sont utilisés pour former un revêtement solide à la surface des particules. Cette méthode améliore les propriétés optiques, électriques, magnétiques et thermiques des particules.
Hu Xinghang et al. ont préparé un pigment composite barytine/dioxyde de titane en mélangeant, agitant, filtrant, séchant et broyant deux suspensions de poudre modifiées. Les résultats ont montré qu'après régulation hydrophobe, la surface de la barytine était uniformément recouverte de particules de TiO₂. Le pigment composite obtenu présentait une absorption d'huile et un pouvoir couvrant comparables à ceux du dioxyde de titane pur et pouvait être utilisé comme pigment de substitution.
Zhou et al. ont utilisé une solution de TiOSO₄ dans une méthode de précipitation chimique, où l'hydrolyse et la précipitation ont formé un complexe d'hydrolyse. Après élimination des impuretés, séchage et calcination, des particules composites barytine/TiO₂ ont été obtenues. L'étude a révélé que la barytine et le TiO₂ étaient fortement liés par des interactions chimiques. Il en résulte des poudres composites à la structure uniforme et dense, présentant des propriétés pigmentaires similaires à celles du TiO₂.
Mécanisme de modification du dépôt chimique de la barytine :
Cette méthode repose principalement sur des réactions chimiques pour déposer des modificateurs à la surface des particules de barytine, formant ainsi une ou plusieurs couches de revêtement. Ce revêtement réduit l'activité de surface des particules, empêche l'agglomération et améliore la dispersibilité et la stabilité de la barytine dans divers milieux. Cette méthode est particulièrement adaptée aux modificateurs de surface inorganiques. Cependant, le processus de réaction est difficile à contrôler et l'obtention d'un revêtement uniforme reste un défi. Par conséquent, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour explorer les paramètres du procédé et les mécanismes sous-jacents qui influencent l'uniformité du dépôt, afin d'améliorer la contrôlabilité du procédé.
Parmi les trois méthodes de modification de surface de la barytine, le revêtement chimique est relativement complexe. La méthode mécanochimique est principalement adaptée à la barytine dont les particules sont plus grosses. Le dépôt chimique présente des difficultés de contrôle. Par conséquent, les méthodes de modification composite, combinant plusieurs techniques, apparaissent comme une voie de développement prometteuse. Elles permettent de pallier les limites des procédés de modification individuels.
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