Nanomatériaux possèdent des propriétés mécaniques, optiques, thermiques, électriques, magnétiques, d'adsorption, de détection de gaz et autres propriétés uniques. L'incorporation de nanopoudres dans des matériaux traditionnels peut améliorer considérablement leurs performances ou introduire des propriétés inattendues.
Au 21e siècle, les progrès rapides de la production et de la vie quotidienne ont créé de nouvelles exigences en matière de matériaux. Dans l'innovation de nouveaux matériaux, la recherche et le développement de nanomatériaux jouent un rôle crucial. De nombreuses poudres de l'industrie des poudres évoluent vers la nanotechnologie. Cependant, dans les applications pratiques, la petite taille et la forte activité de surface des nanoparticules les rendent sujettes à l'agglomération. Les gros agrégats peuvent sérieusement entraver l'utilisation des nanopoudres et la préparation des nanomatériaux correspondants.
En raison de la présence des forces de Van der Waals et de Coulomb dans les nanoparticules, le processus de raffinage ultrafin des solides implique la rupture continue des forces de liaison internes des petites particules. Cela augmente l'énergie totale du système. Par conséquent, d'un point de vue thermodynamique, l'interaction entre les particules de poudre est régie par les forces de Van der Waals et de Coulomb. Cela conduit à l'agrégation des nanoparticules. Il existe deux principaux types d'agrégation de nanoparticules : l'agglomération molle et l'agglomération dure.
L'agglomération molle peut généralement être éliminée par traitement chimique ou action mécanique. Cependant, l'agglomération dure ne peut pas être résolue par des réactions chimiques générales seules. Cela est dû à la liaison étroite entre les particules. Des méthodes mécaniques telles que les ultrasons de haute puissance ou le broyage à billes doivent être utilisées pour la dépolymérisation. Ces méthodes sont des mesures correctives prises après l'agglomération. Dans la pratique, l'utilisation de tensioactifs pendant le traitement des nanopoudres est souvent plus efficace pour prévenir l'agglomération dure.
Actuellement, de nombreux produits à base de carbonate de calcium nano sur le marché contiennent à la fois des nanoparticules et des microparticules. Ces produits ne répondent pas aux véritables normes nanométriques (1-100 nm). La principale raison est l'agglomération sévère de la poudre, qui provoque l'agrégation des nanoparticules en particules plus grosses.
1. Raisons de l’agrégation des nanoparticules
L'agglomération de la poudre nanométrique fait référence au phénomène par lequel les particules de poudre nanométrique originales s'interconnectent et forment de grands amas de particules à partir de plusieurs particules. Cela se produit généralement lors de la préparation, de la séparation, du traitement et du stockage. On distingue généralement l'agglomération molle et l'agglomération dure.
L'agglomération et la dispersion des nanopoudres dépendent de leur morphologie et de leur structure de surface. Ces caractéristiques sont influencées par la structure interne, les impuretés, l'adsorption de surface et les réactions chimiques, les procédés de préparation, les conditions environnementales et d'autres facteurs. Elles conduisent à la complexité et à la diversité des mécanismes d'agglomération et de dispersion des nanopoudres.
2. Méthodes pour résoudre l'agglomération de la poudre nano
Lors de la préparation et de l'application de nanopoudres, des traitements de modification de surface sont utilisés pour résoudre des problèmes tels que la dispersibilité, l'activité, la compatibilité et les performances fonctionnelles. Ces traitements se répartissent généralement en trois catégories :
1. Traitement de dispersion (pour améliorer la dispersibilité)
2. Traitement d'activation (pour améliorer l'activité et la compatibilité)
3. traitement composite de particules (pour améliorer la fonctionnalité).
Collectivement, ils sont connus sous le nom de traitements de modification de surface.
Il existe de nombreuses méthodes de modification de surface des nanopoudres traditionnelles, et les classifications varient. Le principe fondamental consiste à appliquer des traitements physiques et chimiques à la surface des nanopoudres. Les techniques courantes comprennent l'adsorption de surface, le revêtement de surface et le greffage de surface. Toutes les modifications sont appliquées à la surface des nanoparticules. Les principales méthodes comprennent la modification du revêtement, la modification chimique de surface, la modification mécanochimique, la modification de surface par dépôt et la modification plus récente des microcapsules. Vous trouverez ci-dessous un bref aperçu de ces méthodes.
Des recherches récentes indiquent que de meilleurs résultats sont obtenus lorsque les nanopoudres sont synthétisées ou traitées lors du processus de post-traitement. Cette approche consiste à effectuer des traitements anti-agglomérants à la surface des particules lors de leur formation, comme l'application de revêtements inorganiques ou organiques.
Les techniques utilisées comprennent le séchage par chauffage interne, le lavage des réactifs organiques, la distillation azéotropique et le séchage segmenté. De plus, la sélection et la conception de nouveaux procédés de synthèse de nanopoudres constituent une stratégie efficace pour résoudre les problèmes de dispersion, tels que la synthèse hydrothermale et solvothermale.
Ces méthodes permettent la formation directe de la phase souhaitée par synthèse hydrothermale, évitant l'agglomération dure provoquée par la liaison par diffusion atomique à la surface des nanopoudres lors de la décomposition ou de la conversion à haute température. Pour les matériaux en nanopoudre qui ne peuvent pas être obtenus par des méthodes hydrothermales, la méthode solvothermale à base d'oléorésine est utilisée. Cependant, les méthodes hydrothermales nécessitent des températures et des pressions élevées, ce qui exige des équipements spécialisés, augmente les coûts de production et présente des risques pour la sécurité.
Plusieurs méthodes permettant d’améliorer les propriétés de surface et la dispersibilité des nanopoudres sont décrites ci-dessous :
1) Méthode de revêtement
La modification du revêtement est une méthode traditionnelle ancienne qui consiste à utiliser des polymères ou des résines pour « revêtir » la surface des poudres, ce qui permet d'obtenir une modification de surface. Par exemple, le revêtement de SiO₂ avec des tensioactifs tels que la polyvinylpyrrolidone ou la résine furanique améliore sa compatibilité avec les matériaux à base de polymères.
2) Modification sédimentaire
Cette méthode est couramment utilisée pour la modification de surface de TiO₂, SiO₂, CaCO₃ et d'autres poudres inorganiques. Elle implique des réactions chimiques qui déposent des produits sur la surface de la poudre modifiée, formant une couche de revêtement extrêmement fine. Cette couche modifie les caractéristiques de surface de la poudre nano pour répondre aux exigences spécifiques de l'application.
3) Modification des microcapsules
La modification des microcapsules est une nouvelle technologie initialement adoptée dans le domaine pharmaceutique moderne pour obtenir un effet de libération prolongée des poudres ultrafines de médicaments. Cette méthode consiste à appliquer une couche de film uniforme et épaisse sur la surface des particules ultrafines. Dans les microcapsules, la poudre enrobée (ou microgouttelettes) est généralement appelée substance centrale, tandis que l'enveloppe extérieure est la substance membranaire.
La membrane a pour fonction de contrôler et de réguler la dissolution, la libération, la volatilisation, la décoloration, la migration des composants, le mélange ou la vitesse et le temps de réaction avec d'autres substances du matériau de base. Elle agit comme une « valve » pour le contrôle et la régulation de l'isolement, permettant le stockage et la réservation selon les besoins, et peut également dissimuler des substances toxiques ou nocives. En règle générale, le diamètre des microcapsules varie de 0,5 à 100 nm, avec une épaisseur de paroi membranaire d'environ 0,05 à 10 nm. Les méthodes de préparation des microcapsules comprennent des techniques chimiques, physiques et physicochimiques.
4) Modification chimique de surface
La modification chimique de surface consiste à utiliser des groupes fonctionnels dans des molécules organiques pour adsorber ou réagir chimiquement à la surface de particules inorganiques (charges ou pigments). Cela entraîne l'organification de la surface des particules et permet d'obtenir une modification de surface. Le choix des modificateurs implique la sélection du type de solvant, de la méthode de dispersion et de la combinaison des modificateurs de surface. Pour améliorer l'effet de revêtement (c'est-à-dire la modification chimique) et réduire la quantité de modificateur de surface utilisée, il est essentiel d'assurer une dispersion uniforme du modificateur.
Cela peut être réalisé par une dilution appropriée du solvant, une émulsification, une addition par pulvérisation et d'autres méthodes. En raison de l'inhomogénéité des propriétés de surface de la poudre nano, l'utilisation d'une combinaison de deux modificateurs peut parfois être plus efficace que l'utilisation d'un seul modificateur. Par exemple, la combinaison d'agents de couplage d'ester de titane avec des agents de couplage d'acide stéarique pour la modification de surface du carbonate de calcium améliore non seulement l'effet de modification, mais réduit également la quantité d'agent de couplage d'ester de titane requise, réduisant ainsi les coûts de production.
5) Modification mécanochimique
La modification mécanochimique consiste à activer la poudre nanométrique et les modificateurs de surface (ou une autre poudre nanométrique plus fine utilisée pour le revêtement ou le composite) par une action mécanique. Cela favorise les réactions chimiques entre leurs interfaces, ce qui entraîne une modification chimique et une force de liaison accrue entre le modificateur de surface et la poudre nanométrique modifiée.
6) Méthode de séchage par chaleur interne
L'action capillaire est un facteur important dans l'agglomération dure des liaisons chimiques formées entre les particules pendant le processus de séparation solide-liquide des poudres. Un chauffage externe ordinaire est utilisé pour vaporiser le milieu à la surface des agglomérats de poudre humide, ce qui entraîne le transport du liquide à l'intérieur des agglomérats vers la surface par des capillaires. Ce processus est inévitablement affecté par l'action capillaire entre les particules. Les méthodes de chauffage interne, telles que le chauffage infrarouge et le chauffage par micro-ondes, peuvent réduire l'action capillaire entre les particules et minimiser l'agglomération dure des nanoparticules. Cela est dû au fait que la vaporisation du milieu se produit à l'intérieur de la masse humide, plutôt que d'être influencée par des forces capillaires externes.
7) Méthode de nettoyage biologique
L'agglomération dure des nanoparticules est souvent causée par des liaisons chimiques entre les particules et les groupes hydroxyles à leur surface. Par conséquent, l'élimination des groupes hydroxyles attachés à la surface des nanoparticules peut réduire l'agglomération de la poudre. La méthode de nettoyage organique permet de traiter efficacement l'agglomération dure, en particulier dans les poudres d'oxyde. En règle générale, le gel humide ou la poudre nanométrique est lavé plusieurs fois avec de l'éthanol anhydre ou d'autres réactifs organiques, puis séché pour obtenir une poudre nanométrique dispersée.
Le mécanisme implique le remplacement de certains groupes hydroxyles non pontants à la surface des particules colloïdales par des groupes fonctionnels réactifs organiques. Ce remplacement fournit un encombrement stérique et réduit la probabilité de formation de liaisons chimiques entre les ions métalliques de surface des particules adjacentes par déshydratation et liaison de groupes hydroxyles non pontants, éliminant ainsi l'agglomération dure. Cette méthode est largement utilisée dans la préparation de nanopoudres via la méthode gel-sol, telles que Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂ et TiO₂.
8) Méthode de distillation azéotropique
Lors du séchage de matériaux humides, la distillation azéotropique avec du n-butanol, dont le point d'ébullition est plus élevé que celui de l'eau, est utilisée pour maximiser l'élimination de l'eau encapsulée dans le colloïde sous forme d'azéotropes. Cela empêche la formation d'agglomérats durs lors du séchage et de la calcination ultérieurs. Des recherches ont montré que les groupes fonctionnels du n-butanol remplacent les groupes -OH sur la surface colloïdale, ce qui crée un encombrement stérique. Cette méthode fonctionne sur un mécanisme similaire au nettoyage organique.
9) Méthode de séchage segmentée
Pour la plupart des nanopoudres synthétisées par des méthodes chimiques humides, des précurseurs tels que des sels, des hydroxydes et des composés organométalliques sont d'abord obtenus. Ces précurseurs doivent subir un traitement thermique à différentes températures pour produire les nanopoudres finales. Pour éviter que les températures élevées ne provoquent une diffusion et une liaison moléculaires à la surface des nanopoudres, ce qui peut conduire à une adhésion mutuelle entre les particules et à une agglomération dure, il est important de réduire la température de traitement thermique, de raccourcir le temps de traitement thermique ou d'utiliser plusieurs traitements thermiques de courte durée. Cette approche permet de minimiser l'apparition d'agglomération dure tout en assurant la décomposition ou la conversion des précurseurs pour obtenir la phase souhaitée.
Conclusion
L'agglomération des nanopoudres constitue un défi majeur dans leur préparation et leur application. Diverses techniques de modification de surface, telles que la modification de revêtement, la modification sédimentaire, la modification de microcapsules, la modification chimique de surface, la modification mécanochimique, le séchage thermique interne, le nettoyage organique, la distillation azéotropique et le séchage segmenté, offrent diverses solutions pour résoudre ce problème. Chaque méthode fonctionne sur des principes et des mécanismes uniques, ciblant différents aspects de l'agglomération des nanopoudres.
En utilisant ces méthodes, les chercheurs et les fabricants peuvent améliorer la dispersibilité, l'activité et les performances fonctionnelles des nanopoudres, améliorant ainsi leur utilisabilité dans diverses applications. Les progrès continus de ces techniques continuent d'affiner et d'optimiser les performances des nanopoudres, contribuant au développement de matériaux plus efficaces et plus performants dans des domaines allant des produits pharmaceutiques aux applications industrielles.
À mesure que la compréhension du comportement des nanopoudres et des techniques de modification se développe, de nouvelles innovations sont susceptibles d’émerger, offrant des solutions encore plus raffinées aux défis de l’agglomération des nanoparticules.
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