Nanomateriales Poseen propiedades mecánicas, ópticas, térmicas, eléctricas, magnéticas, de adsorción y de detección de gases, entre otras, únicas. La incorporación de nanopolvos a los materiales tradicionales puede mejorar significativamente su rendimiento o introducir propiedades inesperadas.
En el siglo XXI, los rápidos avances en la producción y la vida cotidiana han generado nuevas demandas de materiales. En la innovación de nuevos materiales, la investigación y el desarrollo de nanomateriales desempeñan un papel crucial. Muchos polvos de la industria de los polvos están avanzando hacia la nanotecnología. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, el pequeño tamaño y la alta actividad superficial de las nanopartículas las hacen propensas a la aglomeración. Los agregados grandes pueden obstaculizar seriamente el uso de nanopolvos y la preparación de los nanomateriales correspondientes.
Debido a la presencia de fuerzas de Van der Waals y Coulomb en las nanopartículas, el proceso de refinamiento ultrafino de sólidos implica romper continuamente las fuerzas de unión internas de las partículas pequeñas. Esto aumenta la energía total del sistema. Por lo tanto, desde una perspectiva termodinámica, la interacción entre partículas de polvo está gobernada por las fuerzas de Van der Waals y Coulomb. Esto conduce a la agregación de nanopartículas. Hay dos tipos principales de agregación de nanopartículas: aglomeración blanda y aglomeración dura.
La aglomeración blanda se puede eliminar generalmente mediante un tratamiento químico o una acción mecánica. Sin embargo, la aglomeración dura no se puede resolver únicamente mediante reacciones químicas generales. Se debe a la fuerte unión entre partículas. Para la despolimerización se deben utilizar métodos mecánicos como ultrasonidos de alta potencia o molienda de bolas. Estos métodos son medidas correctivas que se toman después de que se ha producido la aglomeración. En la práctica, el uso de surfactantes durante el procesamiento de nanopolvos suele ser más eficaz para prevenir la aglomeración dura.
En la actualidad, muchos productos de nanocarbonato de calcio que se comercializan contienen nanopartículas y micropartículas. Estos productos no cumplen con los estándares nanométricos reales (1-100 nm). La razón principal es la aglomeración severa del polvo, que hace que las nanopartículas se agrupen en partículas más grandes.
1. Razones para la agregación de nanopartículas
La denominada aglomeración de nanopolvos se refiere al fenómeno en el que las partículas de nanopolvos originales se interconectan y forman grandes grupos de partículas a partir de múltiples partículas. Suele ocurrir durante la preparación, la separación, el tratamiento y el almacenamiento. Generalmente se divide en aglomeración blanda y aglomeración dura.
La aglomeración y dispersión de nanopolvos depende de su morfología y estructura superficial. Estas características están influenciadas por la estructura interna, las impurezas, la adsorción superficial y las reacciones químicas, los procesos de preparación, las condiciones ambientales y otros factores. Estos factores dan lugar a la complejidad y diversidad de los mecanismos de aglomeración y dispersión de nanopolvos.
2. Métodos para resolver la aglomeración de nanopolvos
En la preparación y aplicación de nanopolvos, se emplean tratamientos de modificación de superficies para abordar cuestiones como la dispersabilidad, la actividad, la compatibilidad y el rendimiento funcional. Estos tratamientos generalmente se dividen en tres categorías:
1. Tratamiento de dispersión (para mejorar la dispersabilidad)
2. Tratamiento de activación (para mejorar la actividad y la compatibilidad)
3. Tratamiento compuesto de partículas (para mejorar la funcionalidad).
En conjunto, estos se conocen como tratamientos de modificación de superficie.
Existen numerosos métodos para modificar la superficie de los nanopolvos tradicionales y las clasificaciones varían. El principio fundamental implica aplicar tratamientos físicos y químicos a la superficie de los nanopolvos. Las técnicas comunes incluyen la adsorción de la superficie, el recubrimiento de la superficie y el injerto de la superficie. Todas las modificaciones se aplican a la superficie de las nanopartículas. Los métodos principales incluyen la modificación del recubrimiento, la modificación química de la superficie, la modificación mecanoquímica, la modificación de la superficie por deposición y la más reciente modificación de microcápsulas. A continuación se presenta una breve descripción general de estos métodos.
Investigaciones recientes indican que se obtienen mejores resultados cuando los nanopolvos se sintetizan o se tratan durante el proceso de postratamiento. Este enfoque implica realizar tratamientos antiaglomerantes en la superficie de las partículas durante su formación, como la aplicación de recubrimientos inorgánicos u orgánicos.
Las técnicas utilizadas incluyen secado por calentamiento interno, lavado de reactivos orgánicos, destilación azeotrópica y secado segmentado. Además, la selección y el diseño de nuevos procesos para sintetizar nanopolvos es una estrategia eficaz para resolver problemas de dispersión, como la síntesis hidrotermal y solvotermal.
Estos métodos permiten la formación directa de la fase deseada a través de la síntesis hidrotermal, evitando la aglomeración dura causada por la unión por difusión atómica en la superficie de los nanopolvos durante la descomposición o conversión a alta temperatura. Para los materiales en nanopolvos que no se pueden obtener mediante métodos hidrotermales, se utiliza el método solvotermal de oleorresinas. Sin embargo, los métodos hidrotermales requieren altas temperaturas y presiones, que demandan equipo especializado, aumentan los costos de producción y plantean riesgos de seguridad.
A continuación se describen varios métodos para mejorar las propiedades de la superficie y la dispersabilidad de los nanopolvos:
1) Método de recubrimiento
La modificación del recubrimiento es un método tradicional temprano que implica el uso de polímeros o resinas para “recubrir” la superficie de los polvos, logrando así la modificación de la superficie. Por ejemplo, recubrir SiO₂ con surfactantes como polivinilpirrolidona o resina de furano mejora su compatibilidad con materiales a base de polímeros.
2) Modificación sedimentaria
Este método se utiliza habitualmente para la modificación de la superficie de TiO₂, SiO₂, CaCO₃ y otros polvos inorgánicos. Implica reacciones químicas que depositan productos sobre la superficie del polvo modificado, formando una capa de recubrimiento extremadamente fina. Esta capa altera las características de la superficie del nanopolvo para cumplir con los requisitos específicos de la aplicación.
3) Modificación de microcápsulas
La modificación de microcápsulas es una nueva tecnología adoptada inicialmente en el campo farmacéutico moderno para lograr un efecto de liberación sostenida de los polvos ultrafinos de medicamentos. Este método implica recubrir una capa de película gruesa y uniforme sobre la superficie de las partículas ultrafinas. En las microcápsulas, el polvo recubierto (o microgotas) suele denominarse sustancia central, mientras que la envoltura exterior es la sustancia de la membrana.
La membrana funciona para controlar y regular la disolución, liberación, volatilización, decoloración, migración de componentes, mezcla o velocidad y tiempo de reacción con otras sustancias del material central. Actúa como una "válvula" para el control y regulación del aislamiento, permitiendo el almacenamiento y la reserva según sea necesario, y también puede ocultar sustancias tóxicas o dañinas. Por lo general, el diámetro de las microcápsulas varía de 0,5 a 100 nm, con un espesor de pared de membrana de alrededor de 0,05 a 10 nm. Los métodos de preparación de microcápsulas incluyen técnicas químicas, físicas y fisicoquímicas.
4) Modificación química de la superficie
La modificación química de la superficie implica el uso de grupos funcionales en moléculas orgánicas para adsorber o reaccionar químicamente en la superficie de partículas inorgánicas (rellenos o pigmentos). Esto da como resultado la organificación de la superficie de la partícula y logra la modificación de la superficie. La elección de modificadores implica la selección del tipo de disolvente, el método de dispersión y la combinación de modificadores de superficie. Para mejorar el efecto de recubrimiento (es decir, la modificación química) y reducir la cantidad de modificador de superficie utilizado, es esencial garantizar una dispersión uniforme del modificador.
Esto se puede lograr mediante la dilución apropiada del disolvente, la emulsión, la adición por pulverización y otros métodos. Debido a la falta de homogeneidad de las propiedades de la superficie del nanopolvo, el uso de una combinación de dos modificadores a veces puede ser más eficaz que el uso de un solo modificador. Por ejemplo, la combinación de agentes de acoplamiento de éster de titanio con agentes de acoplamiento de ácido esteárico para la modificación de la superficie del carbonato de calcio no solo mejora el efecto de modificación, sino que también reduce la cantidad de agente de acoplamiento de éster de titanio necesaria, lo que reduce los costos de producción.
5) Modificación mecanoquímica
La modificación mecanoquímica implica la activación de nanopolvos y modificadores de superficie (u otros nanopolvos más finos utilizados para revestimientos o compuestos) mediante una acción mecánica. Esto promueve reacciones químicas entre sus interfaces, lo que da como resultado una modificación química y una mayor fuerza de unión entre el modificador de superficie y el nanopolvo modificado.
6) Método de secado por calor interno
La acción capilar es un factor importante en la aglomeración dura de los enlaces químicos formados entre partículas durante el proceso de separación sólido-líquido de polvos. Se utiliza un calentamiento externo ordinario para vaporizar el medio en la superficie de los aglomerados de polvo húmedo, lo que hace que el líquido dentro de los aglomerados sea transportado a la superficie a través de capilares. Este proceso se ve inevitablemente afectado por la acción capilar entre partículas. Los métodos de calentamiento interno, como el calentamiento por infrarrojos y el calentamiento por microondas, pueden reducir la acción capilar entre partículas y minimizar la aglomeración dura de nanopartículas. Esto se debe a que la vaporización del medio ocurre dentro de la masa húmeda, en lugar de verse influenciada por fuerzas capilares externas.
7) Método de limpieza orgánico
La aglomeración dura de las nanopartículas suele deberse a enlaces químicos entre las partículas y los grupos hidroxilo de sus superficies. Por lo tanto, la eliminación de los grupos hidroxilo unidos a la superficie de las nanopartículas puede reducir la aglomeración del polvo. El método de limpieza orgánica aborda eficazmente la aglomeración dura, en particular en polvos de óxido. Normalmente, el gel húmedo o el nanopolvo se lava varias veces con etanol anhidro u otros reactivos orgánicos y luego se seca para obtener nanopolvo disperso.
El mecanismo implica la sustitución de algunos grupos hidroxilo no puente en la superficie de partículas coloidales con grupos funcionales reactivos orgánicos. Esta sustitución proporciona un impedimento estérico y reduce la probabilidad de formación de enlaces químicos entre iones metálicos de la superficie de partículas adyacentes a través de la deshidratación y la unión de grupos hidroxilo no puente, eliminando así la aglomeración dura. Este método se utiliza ampliamente en la preparación de nanopolvos a través del método de gel sol, como Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂ y TiO₂.
8) Método de destilación azeotrópica
En el secado de material húmedo, se emplea la destilación azeotrópica con n-butanol, que tiene un punto de ebullición más alto que el agua, para maximizar la eliminación del agua encapsulada en el coloide como azeótropos. Esto evita la formación de aglomerados duros durante el secado y la calcinación posteriores. Las investigaciones han demostrado que los grupos funcionales del n-butanol reemplazan a los grupos -OH en la superficie coloidal, lo que proporciona un impedimento estérico. Este método funciona con un mecanismo similar a la limpieza orgánica.
9) Método de secado segmentado
Para la mayoría de los nanopolvos sintetizados por métodos químicos húmedos, primero se obtienen precursores como sales, hidróxidos y compuestos organometálicos. Estos precursores deben someterse a un tratamiento térmico a diferentes temperaturas para producir los nanopolvos finales. Para evitar que las altas temperaturas provoquen difusión molecular y unión en la superficie de los nanopolvos, lo que puede provocar una adhesión mutua entre partículas y una aglomeración dura, es importante reducir la temperatura del tratamiento térmico, acortar el tiempo del tratamiento térmico o utilizar múltiples tratamientos térmicos de corta duración. Este enfoque ayuda a minimizar la aparición de aglomeración dura al tiempo que garantiza la descomposición o conversión de los precursores para obtener la fase deseada.
Conclusión
La aglomeración de nanopolvos es un desafío importante en su preparación y aplicación. Varias técnicas de modificación de superficies (como la modificación de recubrimientos, la modificación sedimentaria, la modificación de microcápsulas, la modificación química de superficies, la modificación mecanoquímica, el secado térmico interno, la limpieza orgánica, la destilación azeotrópica y el secado segmentado) ofrecen diversas soluciones para abordar este problema. Cada método opera con principios y mecanismos únicos, que apuntan a diferentes aspectos de la aglomeración de nanopolvos.
Al emplear estos métodos, los investigadores y fabricantes pueden mejorar la dispersabilidad, la actividad y el rendimiento funcional de los nanopolvos, mejorando así su utilidad en diversas aplicaciones. Los avances continuos en estas técnicas siguen refinando y optimizando el rendimiento de los nanopolvos, lo que contribuye al desarrollo de materiales más eficientes y eficaces en campos que van desde los productos farmacéuticos hasta las aplicaciones industriales.
A medida que aumenta la comprensión del comportamiento de los nanopolvos y las técnicas de modificación, es probable que surjan más innovaciones que ofrezcan soluciones aún más refinadas a los desafíos de la aglomeración de nanopartículas.
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