La barite presenta i vantaggi di elevata densità, proprietà chimiche stabili, atossicità e forte assorbimento delle radiazioni, ed è ampiamente utilizzata. La modifica della superficie è diventata un mezzo importante per migliorarne le prestazioni e ampliarne il campo di applicazione.
La barite è una risorsa non rinnovabile. Il componente principale della barite è BaSO₄. Rispetto alla sua composizione teorica, la barite naturale contiene anche piccole quantità di Sr, Pb e Ca a causa della sostituzione isomorfa. La barite è un minerale solforato con un sistema cristallino ortorombico. Le sue proprietà fisiche e chimiche sono relativamente stabili. È difficile da sciogliere in acqua e acido cloridrico. Presenta i vantaggi di un'elevata densità, una buona capacità di riempimento, atossicità, amagneticità, forte assorbimento delle radiazioni e buone proprietà ottiche. È un importante prodotto chimico inorganico ed è ampiamente utilizzato, tra gli altri, nell'industria petrolchimica, dei materiali da costruzione, delle materie plastiche, dei rivestimenti, della gomma e delle pastiglie dei freni per autoveicoli.
Quando la barite viene utilizzata come riempitivo, può migliorare le prestazioni di lavorazione, le proprietà fisiche e la stabilità chimica dei materiali compositi inorganici/polimerici. Ciò riduce significativamente la quantità di resina utilizzata e il costo complessivo. Tuttavia, a causa della natura idrofila della barite, della differenza nelle proprietà interfacciali con le matrici polimeriche organiche e della presenza di effetti superficiali, è difficile per la barite disperdersi uniformemente nei materiali organici. Questa differenza nelle proprietà fisiche e chimiche tra la barite e il polimero può influire sulle prestazioni complessive del materiale composito. Attualmente, la soluzione più efficace è la modificazione superficiale della barite. Ciò consente a un modificatore di formare uno strato di adsorbimento o un film monostrato sulla sua superficie. Ciò altera le proprietà superficiali, migliora la disperdibilità e la compatibilità con i materiali organici. Ciò amplia il suo campo di applicazione e aumenta il valore aggiunto del prodotto.
La modificazione superficiale della barite e il suo utilizzo come riempitivo sono stati ampiamente studiati. Quali sono i metodi di modificazione superficiale disponibili? Come si può scegliere un metodo di modifica adatto alle esigenze dei diversi tipi di barite e alle loro specifiche applicazioni?
Attualmente, i principali metodi di modifica superficiale della barite includono il rivestimento chimico superficiale, il trattamento meccanochimico e la deposizione chimica.
1. Metodo di rivestimento chimico superficiale
Il metodo di rivestimento chimico superficiale sfrutta le interazioni chimiche per rivestire in modo uniforme e stabile i modificatori sulle superfici delle particelle, alterandone così le proprietà superficiali.
Xiao Qin et al. hanno utilizzato il dodecil solfato di sodio come modificatore. Dopo la modifica, si è formato un rivestimento sulla superficie delle particelle di barite. Lo studio ha rilevato che la velocità di sedimentazione e il volume della barite nel cherosene sono stati notevolmente ridotti. La sua natura è cambiata da idrofila a lipofila, con un angolo di contatto aumentato a 150,8°. Anche Zhou Hong et al. hanno utilizzato questo metodo per regolare l'idrofobicità della barite. Il metodo ne migliora la disperdibilità nel cherosene, riducendo le dimensioni e l'agglomerazione delle particelle. Ciò è stato attribuito alla reazione dei cationi insaturi sulla superficie della barite con gli ioni stearato e oleato di sodio, formando un rivestimento organico con lunghe catene idrocarburiche.
Il modificatore di superficie viene adsorbito sulla superficie della barite o reagisce con i gruppi ossidrilici superficiali per formare legami chimici, dando origine a un rivestimento organico. Ciò impedisce l'agglomerazione delle particelle per repulsione sterica o forze elettrostatiche, migliorando così la disperdibilità. Sebbene questo metodo sia più complesso, è anche più efficace. Pertanto, per consentirne l'applicazione su larga scala, sono necessarie ulteriori ottimizzazioni del processo e miglioramenti nell'efficienza del rivestimento.
2. Metodo meccanochimico
Il metodo meccanochimico sfrutta principalmente la forza meccanica per attivare la superficie delle particelle, favorendo reazioni chimiche tra le particelle e il modificatore, ottenendo così un rivestimento superficiale.
Huang Xiangyang et al. hanno applicato il metodo della macinazione a sfere a umido per macinare insieme il disperdente polimerico e la materia prima di barite. Sotto l'azione della forza meccanica, la granulometria della polvere è diminuita e i siti di attivazione superficiali hanno facilitato la polimerizzazione del disperdente sulla superficie della barite. Ciò ha ridotto la quantità di iniziatore necessaria e ha prodotto una polvere di barite attiva con granulometria fine ed elevata disperdibilità, migliorando significativamente la disperdibilità e la stabilità dei rivestimenti.
Chen Youshuang et al. hanno rivestito con successo la superficie della barite con acido stearico utilizzando la forza meccanica di un miscelatore ad alta velocità. Il loro esperimento produce polvere di barite attiva che può sostituire il nerofumo come nuovo materiale di rinforzo nella gomma. Il loro studio ha scoperto che l'incorporazione di una quantità adeguata di barite attiva ha migliorato le proprietà meccaniche dei compositi barite/gomma. Questo miglioramento è attribuito alla capacità della modifica meccanochimica di prevenire l'agglomerazione delle particelle. Migliora inoltre la disperdibilità e la compatibilità all'interno della matrice polimerica.
Wang et al. hanno preparato materiali compositi barite/TiO₂ mediante macinazione meccanochimica a umido. I risultati hanno mostrato che l'energia meccanica rilasciata durante la macinazione a umido ha favorito il rivestimento di biossido di titanio sulla superficie della barite. L'efficacia del rivestimento è stata influenzata da fattori quali la velocità e la durata della co-macinazione. In condizioni ottimali, le proprietà dei pigmenti dei compositi barite/TiO₂ sono risultate paragonabili a quelle del TiO₂ puro.
Meccanismo di modifica meccanochimica della barite:
Questo metodo si basa principalmente sulla macinazione ultrafine e su altre intense forze meccaniche per attivare intenzionalmente l'energia libera superficiale delle particelle di polvere. Ciò altera la struttura e le proprietà superficiali, causando distorsioni e dislocazioni reticolari. Aumenta la reattività con i modificatori, migliora l'attività della polvere, garantisce una distribuzione più uniforme delle particelle e rafforza il legame interfacciale con la matrice. Il processo di modifica meccanochimica è relativamente semplice ed economico e ha già trovato ampia applicazione pratica.
È particolarmente adatto per la barite con particelle di dimensioni maggiori. Tuttavia, per la barite di dimensioni nanometriche, l'efficacia dell'utilizzo di un singolo metodo di modifica meccanochimica è limitata. Pertanto, gli sviluppi futuri dovrebbero concentrarsi sul miglioramento dell'uniformità delle interazioni tra polvere e modificatore. Ciò riduce la quantità richiesta di modificatore, migliora l'efficacia del rivestimento attraverso tecniche di modifica combinata e introduce nuove apparecchiature, come mulini a getto e miscelatori a nido d'ape, per semplificare il processo, ridurre il consumo energetico e migliorare il rispetto dell'ambiente.
3. Metodo di deposizione chimica
Il metodo di deposizione chimica prevede l'aggiunta di un modificatore o precipitante a una sospensione di particelle, che reagisce e precipita sulla superficie delle particelle. Dopo la precipitazione, processi come lavaggio, filtrazione, essiccazione e calcinazione vengono utilizzati per formare un rivestimento stabile sulla superficie delle particelle. Questo metodo migliora le proprietà ottiche, elettriche, magnetiche e termiche delle particelle.
Hu Xinghang et al. hanno preparato un pigmento composito di barite/biossido di titanio miscelando, agitando, filtrando, essiccando e macinando due sospensioni di polvere modificate. I risultati hanno mostrato che, dopo la regolazione idrofobica, la superficie di barite era uniformemente ricoperta di particelle di TiO₂. Il pigmento composito risultante ha mostrato un potere di assorbimento dell'olio e coprente paragonabile al biossido di titanio puro e potrebbe essere utilizzato come pigmento sostitutivo.
Zhou et al. hanno utilizzato una soluzione di TiOSO₄ in un metodo di precipitazione chimica, in cui l'idrolisi e la precipitazione hanno formato un complesso di idrolisi. Dopo la rimozione delle impurità, l'essiccazione e la calcinazione, sono state ottenute particelle composite di barite/TiO₂. Lo studio ha rilevato che barite e TiO₂ erano fortemente legati attraverso interazioni chimiche. Il risultato sono polveri composite con una struttura uniforme e densa, che mostrano proprietà pigmentarie simili a quelle del TiO₂.
Meccanismo di modificazione della deposizione chimica della barite:
Questo metodo si basa principalmente su reazioni chimiche per depositare i modificatori sulla superficie delle particelle di barite, formando uno o più strati di rivestimento. Il rivestimento riduce l'attività superficiale delle particelle, previene l'agglomerazione e migliora la disperdibilità e la stabilità della barite in diversi mezzi. Questo metodo è particolarmente adatto per i modificatori superficiali inorganici. Tuttavia, il processo di reazione è difficile da controllare e ottenere un rivestimento uniforme rimane una sfida. Pertanto, sono necessarie ulteriori ricerche per esplorare i parametri di processo e i meccanismi sottostanti che influenzano l'uniformità di deposizione, con l'obiettivo di migliorare la controllabilità del processo.
Tra i tre metodi di modifica superficiale della barite, il metodo di rivestimento chimico della superficie comporta un processo relativamente complesso. Il metodo meccanochimico è principalmente adatto alla barite con particelle di maggiori dimensioni. Il metodo di deposizione chimica presenta difficoltà nel controllo di processo. Di conseguenza, i metodi di modifica composita, che combinano diverse tecniche, stanno emergendo come una promettente direzione di sviluppo. Possono compensare i limiti dei singoli processi di modifica.
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