نمایش ها: 0 نویسنده: ویرایشگر سایت زمان انتشار: 2024-12-31 مبدا: محل
دی اکسید تیتانیوم (TiO₂) یک رنگدانه سفید به طور گسترده ای با خواص نوری عالی مانند ضریب شکست بالا ، قدرت مخفی قوی و سفیدی خوب است. این برنامه کاربردهای گسترده ای را در صنایع مختلف از جمله پوشش ، پلاستیک ، مقالات ، جوهرها و لوازم آرایشی پیدا می کند. با این حال ، یکی از مهمترین چالش های مرتبط با Tio₂ ، پراکندگی ضعیف آن است. پراکندگی ضعیف می تواند منجر به مواردی مانند عمارت شود که به نوبه خود بر عملکرد و کیفیت محصولات نهایی تأثیر می گذارد. در این مطالعه جامع ، ما در اعماق عوامل مؤثر بر پراکندگی دی اکسید تیتانیوم و بررسی استراتژی های مختلف برای بهبود آن خواهیم بود.
پراکندگی دی اکسید تیتانیوم تحت تأثیر عوامل مختلف ، چه ذاتی و چه بیرونی از خود رنگدانه است.
اندازه و شکل ذرات Tio₂ نقش مهمی در تعیین پراکندگی آنها دارد. به طور کلی ، اندازه ذرات کوچکتر تمایل به پراکندگی بهتری دارند زیرا از نظر سطح بیشتری به حجم بیشتری دارند. به عنوان مثال ، نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (معمولاً در محدوده 1 - 100 نانومتر) به طور بالقوه می توانند در مقایسه با ذرات بزرگتر به اندازه میکرون ، پراکندگی بهبود یافته را ارائه دهند. با این حال ، نانوذرات بسیار کوچک نیز به دلیل انرژی سطح بالا ممکن است تمایل به جمع شدن داشته باشند. از نظر شکل ، ذرات کروی اغلب در مقایسه با ذرات شکل نامنظم از ویژگی های جریان و پراکندگی بهتری برخوردار هستند. داده های تحقیقاتی نشان می دهد که نانوذرات کروی Tio₂ با قطر حدود 20 نانومتر ، پراکندگی قابل توجهی بهتر در یک سیستم پوشش مبتنی بر آب در مقایسه با ذرات نامنظم شکل با دامنه اندازه مشابه ، با کاهش سطح جمع آوری تقریباً 30 ٪ اندازه گیری شده توسط تکنیک های پراکندگی سبک پویا نشان داده اند.
شیمی سطح دی اکسید تیتانیوم یکی دیگر از عوامل مهم است. سطح ذرات Tio₂ می تواند گروه های عملکردی مختلفی مانند گروه های هیدروکسیل (-OH) داشته باشد. این گروه های سطحی می توانند با محیط اطراف و ذرات دیگر در تعامل باشند. اگر سطح به دلیل تعداد زیادی از گروه های هیدروکسیل بسیار آبگریز باشد ، ممکن است در سیستم های آبی به خوبی پراکنده شود اما می تواند در حلال های غیر آبی با چالش هایی روبرو شود. از طرف دیگر ، اگر سطح بیش از حد آبگریز باشد ، ممکن است در فرمولاسیون مبتنی بر آب به درستی پراکنده نشود. به عنوان مثال ، دی اکسید تیتانیوم درمان نشده با یک سطح عمدتا آبگریز ، پراکندگی اولیه خوبی در آب را نشان داد اما با افزودن مقدار کمی از یک حلال آلی به سرعت جمع شد. اصلاح شیمی سطح از طریق تکنیک هایی مانند پیوند سطح یا پوشش می تواند به طور قابل توجهی پراکندگی را بهبود بخشد. مطالعات نشان داده اند که با پیوند یک پلیمر آبگریز بر روی سطح نانوذرات Tio₂ ، پراکندگی آنها در یک سیستم جوهر مبتنی بر حلال آلی افزایش یافته است ، با کاهش بیش از 50 ٪ در شکل گیری آگلومره های بزرگ همانطور که در زیر میکروسکوپ مشاهده می شود.
فعل و انفعالات الکترواستاتیک همچنین بر پراکندگی Tio₂ تأثیر می گذارد. در بسیاری از موارد ، ذرات Tio₂ بسته به pH محیط می توانند بار سطح را بدست آورند. در مقادیر خاص pH ، به عنوان نقطه ایزوالکتریک (IEP) شناخته می شود ، بار سطح خالص ذرات صفر است. در اطراف IEP ، ذرات به دلیل عدم وجود دافع الکترواستاتیک قابل توجه ، بیشتر به احتمال زیاد جمع می شوند. به عنوان مثال ، نقطه ایزوالکتریک یک نوع مشترک دی اکسید تیتانیوم در حدود pH 6 است. وقتی pH محیط پراکندگی نزدیک به 6 است ، ذرات Tio₂ تمایل به جمع شدن با هم دارند. با این حال ، با تنظیم pH به دور از IEP ، یا به یک منطقه اسیدی تر یا قلیایی تر ، دافع الکترواستاتیک می تواند بین ذرات ایجاد شود و در نتیجه پراکندگی آنها را بهبود می بخشد. در یک مطالعه در مورد فرمولاسیون رنگ مبتنی بر Tio₂ ، مشخص شد که با حفظ pH پراکندگی در pH 4 (ناحیه اسیدی) ، جمع شدن ذرات Tio₂ به طور قابل توجهی کاهش می یابد و منجر به یک فیلم رنگ صاف و نرم تر با قدرت پنهان شده می شود ، در مقایسه با زمانی که PH نزدیک به IEP بود.
با توجه به اهمیت پراکندگی خوب برای استفاده مؤثر از دی اکسید تیتانیوم ، چندین استراتژی تدوین و مورد بررسی قرار گرفته است.
اصلاح سطح یک رویکرد قدرتمند برای بهبود پراکندگی Tio₂ است. همانطور که قبلاً ذکر شد ، اصلاح شیمی سطح می تواند تعامل ذرات با محیط اطراف را تغییر دهد. یک روش متداول پیوند سطح است ، جایی که یک پلیمر یا سایر مولکول های عملکردی به صورت کووالانسی به سطح ذرات Tio₂ وصل می شوند. به عنوان مثال ، پیوند زنجیره ای پلی اتیلن گلیکول (PEG) بر روی سطح نانوذرات Tio₂ می تواند آنها را آبگریز تر کند و در نتیجه پراکندگی آنها را در سیستم های آبی بهبود بخشد. تکنیک دیگر پوشش سطح است ، جایی که یک لایه نازک از یک ماده متفاوت بر روی سطح ذرات Tio₂ قرار می گیرد. در مورد دی اکسید تیتانیوم مورد استفاده در پلاستیک ، پوشش ذرات با ماده اتصال سیلان می تواند سازگاری آنها را با ماتریس پلاستیکی تقویت کرده و پراکندگی آنها را در پلاستیک بهبود بخشد. تحقیقات نشان داده است که با پوشش ذرات Tio₂ با یک ماده اتصال سیلان خاص ، مقاومت کششی کامپوزیت پلاستیکی حاصل به دلیل پراکندگی بهتر ذرات Tio₂ ، حدود 20 ٪ افزایش یافته است ، که به نوبه خود باعث بهبود خواص مکانیکی کلی کامپوزیت می شود.
پراکندگی موادی هستند که به طور خاص برای بهبود پراکندگی مواد ذرات مانند دی اکسید تیتانیوم طراحی شده اند. آنها با کاهش تنش سطح بین ذرات و محیط اطراف و با تهیه تثبیت استری یا الکترواستاتیک کار می کنند. انواع مختلفی از پراکندگی های موجود ، مانند پراکندگی های آنیونی ، کاتیونی و غیر یونی وجود دارد. به عنوان مثال ، پراکندگی های آنیونی با ارائه بار منفی به ذرات Tio₂ کار می کنند ، که به دلیل دافع الکترواستاتیک یکدیگر را دفع می کنند. در یک فرمولاسیون پوشش حاوی Tio₂ ، استفاده از پراکندگی آنیونی قادر به کاهش تجمع ذرات تا 40 ٪ بود که با تجزیه و تحلیل اندازه ذرات اندازه گیری می شود. از طرف دیگر ، پراکندگی های غیر یونی عمدتاً از طریق مانع استریل کار می کنند. آنها زنجیرهای پلیمری طولانی دارند که ذرات Tio₂ را احاطه کرده و از تماس نزدیک آنها با یکدیگر جلوگیری می کنند. در یک مطالعه در مورد یک سیستم جوهر مبتنی بر Tio₂ ، یک پراکندگی غیر یونی در حفظ پراکندگی ذرات Tio₂ در طی فرآیند چاپ بسیار مؤثر است و در نتیجه کیفیت چاپی سازگارتر و پر جنب و جوش تر است.
پراکندگی مکانیکی روش دیگری برای تجزیه آگلومرهای دی اکسید تیتانیوم و بهبود پراکندگی آن است. این شامل استفاده از دستگاه های مکانیکی مانند میکسرهای پر سرعت ، کارخانه های توپ و دستگاه های اولتراسونیک است. میکسرهای با سرعت بالا می توانند نیروهای برشی شدید را فراهم کنند که می توانند آگلومره های بزرگ را به ذرات کوچکتر تجزیه کنند. به عنوان مثال ، در یک فرآیند ترکیب پلاستیک که Tio₂ در آن گنجانیده شده بود ، با استفاده از یک میکسر با سرعت بالا با سرعت چرخشی 3000 دور در دقیقه به مدت 10 دقیقه توانست اندازه متوسط آگلومره ها را حدود 50 ٪ کاهش دهد که توسط میکروسکوپ اندازه گیری می شود. آسیاب های توپ با خرد کردن ذرات به همراه رسانه های سنگ زنی مانند توپ کار می کنند. از طرف دیگر ، دستگاه های اولتراسونیک از امواج اولتراسونیک برای ایجاد حباب های کاویتاسیون استفاده می کنند که باعث انفجار و تولید نیروهای محلی شدید می شوند که می توانند آگلومره ها را تجزیه کنند. در یک مطالعه در مورد فرمولاسیون رنگ مبتنی بر آب که حاوی Tio₂ است ، درمان اولتراسونیک به مدت 5 دقیقه با فرکانس 20 کیلوهرتز قادر به بهبود قابل توجهی پراکندگی ذرات Tio₂ بود ، با کاهش تعداد آگلومره های قابل مشاهده در حدود 60 ٪ همانطور که توسط چشم غیر مسلح مشاهده شده است.
برای نشان دادن بیشتر اثربخشی استراتژی های مورد بحث در بالا ، بیایید به برخی از مطالعات موردی در دنیای واقعی بپردازیم.
در یک شرکت تولید پوشش ، آنها به دلیل پراکندگی ضعیف دی اکسید تیتانیوم مورد استفاده ، با کیفیت پوشش های سفید خود روبرو بودند. ذرات Tio₂ در حال جمع شدن بودند و منجر به پایان خشن و ناهموار در سطوح روکش شده می شدند. برای پرداختن به این مشکل ، آنها ابتدا شیمی سطح ذرات Tio₂ را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند و دریافتند که آنها نسبتاً آبگریز هستند. آنها تصمیم گرفتند از ترکیبی از اصلاح سطح و پراکندگی استفاده کنند. آنها ذرات Tio₂ را با یک ماده جفت سیلان پوشش دادند تا سازگاری خود را با رزین پوشش بهبود بخشند و سپس یک پراکندگی آنیونی را برای افزایش بیشتر پراکندگی اضافه کردند. پس از اجرای این تغییرات ، جمع شدن ذرات Tio₂ به طور قابل توجهی کاهش یافت. پوشش های حاصل از آن بسیار نرم و صاف تر بودند و قدرت و براقیت پنهان شده را بهبود می بخشند. رضایت مشتری از این محصول نیز به میزان قابل توجهی افزایش یافته و منجر به افزایش سهم بازار برای شرکت پوشش می شود.
یک تولید کننده پلاستیک برای دستیابی به رنگ سفید ، دی اکسید تیتانیوم را در محصولات پلی اتیلن (PE) خود درج می کرد. با این حال ، آنها متوجه شدند که ذرات Tio₂ به طور مساوی در ماتریس پلاستیکی پراکنده نمی شوند ، که بر خصوصیات مکانیکی محصولات نهایی تأثیر می گذارد. برای حل این مسئله ، آنها برای پراکندگی مکانیکی و پس از آن اصلاح سطح تصمیم گرفتند. آنها ابتدا از یک میکسر با سرعت بالا برای تجزیه آگلومرهای ذرات Tio₂ استفاده کردند. سپس ، آنها یک زنجیره پلی اتیلن گلیکول (PEG) را بر روی سطح ذرات باقیمانده پیوند زدند تا آنها را آبگریز تر کند و قابلیت پراکندگی خود را در ماتریس PE بهبود بخشد. در نتیجه ، استحکام کششی و کشیدگی در هنگام شکسته شدن محصولات پلاستیکی نهایی بهبود یافته است. این محصولات همچنین دارای یک رنگ سفید یکنواخت تر بودند که برای مشتریانشان بسیار مطلوب بود. این امر منجر به افزایش رقابت سازنده پلاستیک در بازار شد.
در صنعت تولید جوهر ، یک شرکت به دلیل پراکندگی ضعیف رنگدانه دی اکسید تیتانیوم با کیفیت چاپ جوهرهای سفید خود مشکل داشت. ذرات Tio₂ در طی فرآیند چاپ در حال جمع شدن بودند و منجر به سر چاپ گرفتگی و رنگهای چاپی متناقض می شدند. برای غلبه بر این مشکل ، آنها از یک پراکندگی غیر یونی به همراه درمان اولتراسونیک استفاده کردند. پراکندگی غیر یونی برای حفظ پراکندگی ذرات Tio₂ در هنگام ذخیره و کار به فرمول جوهر اضافه شد. درمان اولتراسونیک درست قبل از چاپ برای تجزیه بیشتر آگلومره های باقی مانده اعمال شد. پس از اجرای این اقدامات ، کیفیت چاپ جوهرهای سفید به طور قابل توجهی بهبود یافت. سرهای چاپی بدون محاصره باقی مانده و رنگ ها سازگار و پر جنب و جوش تر بودند. این امر منجر به افزایش رضایت مشتری و تکرار تجارت برای شرکت جوهر شد.
از آنجا که تقاضا برای محصولات با کیفیت بالا شامل دی اکسید تیتانیوم همچنان در حال رشد است ، چندین زمینه تحقیق و توسعه وجود دارد که نوید برای بهبود بیشتر پراکندگی این رنگدانه مهم را دارند.
محققان دائماً در حال بررسی تکنیک های جدید و پیشرفته اصلاح سطح هستند. به عنوان مثال ، استفاده از درمان پلاسما برای اصلاح سطح ذرات Tio₂ منطقه ای از تحقیقات فعال است. درمان پلاسما می تواند گروههای مختلف عملکردی را بر روی سطح ذرات به روش کنترل شده تر و دقیق تر در مقایسه با روش های اصلاح سطح سنتی معرفی کند. این به طور بالقوه می تواند منجر به پراکندگی بهتر در رسانه های مختلف شود. یکی دیگر از تکنیک های نوظهور استفاده از مونتاژ لایه به لایه برای ساختن یک ساختار سطح پیچیده بر روی ذرات Tio₂ است. با انتخاب دقیق مواد و ترتیب رسوب ، می توان سطحی را ایجاد کرد که تعامل بهینه با محیط اطراف داشته باشد و در نتیجه پراکندگی را بهبود بخشد. مطالعات مقدماتی نشان داده است که استفاده از مونتاژ لایه به لایه برای اصلاح سطح نانوذرات Tio₂ می تواند منجر به کاهش قابل توجهی در جمع آوری در سیستم های آبی و غیر آبی شود ، با کاربردهای بالقوه در صنایع مختلف مانند لوازم آرایشی و الکترونیک.
توسعه پراکندگی های جدید زمینه دیگری از تمرکز است. دانشمندان در تلاشند تا پراکندگی هایی را ایجاد کنند که دارای خواصی مانند سازگاری بهتر با رسانه های مختلف ، راندمان بالاتر در کاهش انباشتگی و ثبات طولانی مدت باشند. به عنوان مثال ، پراکندگی های مبتنی بر زیستی به عنوان جایگزینی برای پراکندگی های شیمیایی سنتی مورد بررسی قرار می گیرند. این پراکندگی های مبتنی بر زیستی می توانند از منابع تجدید پذیر مانند گیاهان یا میکروارگانیسم ها حاصل شوند. آنها ممکن است مزایایی مانند تأثیر محیطی پایین تر و تجزیه و تحلیل پذیری بهتر را ارائه دهند. در یک مطالعه جدید ، یک پراکندگی مبتنی بر زیستی حاصل از عصاره گیاه در یک فرمول رنگ مبتنی بر Tio₂ مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج نشان داد که پراکندگی مبتنی بر زیستی قادر به کاهش تجمع ذرات Tio₂ به میزان مشابهی به عنوان یک پراکندگی شیمیایی سنتی است ، در حالی که ویژگی های تجزیه پذیری بهتر را نیز نشان می دهد ، که می تواند در طولانی مدت برای محیط زیست مفید باشد.
در آینده ، این احتمال وجود دارد که مؤثرترین راه برای بهبود پراکندگی دی اکسید تیتانیوم از طریق ادغام چندین استراتژی باشد. به عنوان مثال ، ترکیب اصلاح سطح با استفاده از پراکندگی ها و پراکندگی مکانیکی به طور بالقوه می تواند یک راه حل جامع تر را ارائه دهد. با اصلاح ابتدا سطح ذرات Tio₂ ، سپس اضافه کردن پراکندگی ها برای افزایش بیشتر پراکندگی و در نهایت با استفاده از پراکندگی مکانیکی برای تجزیه هرگونه آگلومره های باقیمانده ، می توان یک سیستم Tio₂ بسیار پراکنده و پایدار حاصل شد. این رویکرد یکپارچه نشان داده شده است که در برخی از مطالعات اولیه مؤثر است. For instance, in a study on a TiO₂-based composite material for electronics applications, by integrating surface modification (using a silane coupling agent), the use of an anionic dispersant, and ultrasonic treatment (mechanical dispersion), the dispersibility of the TiO₂ particles was significantly improved, leading to better electrical properties of the composite material, which is crucial for its performance in electronic devices.
در نتیجه ، پراکندگی دی اکسید تیتانیوم یک عامل مهم است که بر عملکرد و کاربرد آن در صنایع مختلف تأثیر می گذارد. پراکندگی ضعیف می تواند منجر به تجمع و تخریب متعاقباً کیفیت محصولات نهایی شود. ما عواملی را که بر پراکندگی TiO₂ تأثیر می گذارد ، از جمله اندازه و شکل ذرات ، شیمی سطح و تعامل الکترواستاتیک بررسی کرده ایم. ما همچنین استراتژی های مختلفی را برای بهبود پراکندگی آن ، مانند اصلاح سطح ، استفاده از پراکندگی ها و پراکندگی مکانیکی مورد بحث قرار داده ایم. از طریق مطالعات موردی در دنیای واقعی ، ما شاهد اجرای عملی و اثربخشی این استراتژی ها هستیم. با نگاهی به آینده ، چشم اندازهای آینده مانند تکنیک های پیشرفته اصلاح سطح ، توسعه پراکندگی های جدید و ادغام چندین استراتژی ، راه های امیدوارکننده ای را برای بهبود بیشتر پراکندگی دی اکسید تیتانیوم ارائه می دهد. ادامه تحقیقات و توسعه در این زمینه برای برآورده کردن خواسته های فزاینده برای محصولات با کیفیت بالا شامل این رنگدانه مهم ضروری خواهد بود.
