Les nanoparticules (telles que le nano-dioxyde de titane, le nano-oxyde de fer et les pigments organiques nanocolorés) présentent une couverture élevée, une luminosité élevée et une excellente solidité des couleurs lorsqu'elles sont incorporées dans des revêtements colorés en raison de leur petite taille de particule (typiquement <1 μm) et de leur grande surface spécifique ; par conséquent, elles trouvent une large application dans des domaines tels que les revêtements à base d'eau, les encres, les cosmétiques et les céramiques haut de gamme. Cependant, leur processus de dispersion présente deux défis fondamentaux majeurs :
- Défi de l'agglomération : les nanoparticules présentent une énergie de surface élevée, ce qui les rend sujettes à la formation d'agglomérats durs par des forces de van der Waals ou des liaisons hydrogène, entraînant une faible uniformité de la pâte de couleur ;
- Instabilité intrinsèque de la couleur : les particules agglomérées peuvent perturber les principes de diffusion et d'absorption de la lumière, entraînant une réduction de la couverture, des couleurs plus ternes et une diminution de la brillance, empêchant ainsi l'utilisation complète des avantages de performance des nanoparticules.
Les billes de zircone, en tant que milieux de broyage à haute efficacité, tirent parti de leur dureté élevée (dureté Mohs : 8,5 à 9), de leur faible taux d'usure et de leur excellente ténacité pour décomposer les agglomérats de pigments par un mécanisme de "cisaillement-friction" ; de plus, elles sont moins susceptibles d'introduire des impuretés qui pourraient contaminer la pâte de couleur, ce qui en fait un facteur critique dans le contrôle de la distribution granulométrique et de l'intensité de couleur de la pâte de couleur.
Le broyage des pigments nanomatériaux doit adhérer au principe selon lequel "la taille des particules du milieu de broyage doit être compatible avec la taille cible des particules de pigment" : plus la taille des billes de zircone est petite, plus la force de cisaillement appliquée aux agglomérats de pigments est concentrée, permettant la décomposition de particules agglomérées plus fines ; cependant, des billes excessivement petites peuvent entraîner une énergie d'impact insuffisante, prolongeant ainsi le cycle de broyage. Par exemple, lors de l'utilisation de billes de zircone de 0,1 mm pour un processus de broyage de 2 heures, la taille granulométrique médiane (D50) de la pâte de couleur peut atteindre 120 nm, avec une distribution granulométrique étroite. En revanche, lors de l'utilisation de billes de 0,5 mm et 1,0 mm dans les mêmes conditions de broyage, les valeurs de D50 augmentent respectivement à 250 nm et 480 nm, accompagnées de la formation de plus grands agglomérats. Par conséquent, pour les pâtes de couleur visant une plage de taille de particule cible de 100 à 300 nm, il est recommandé d'utiliser des billes de zircone de 0,1 à 0,3 mm.
Le taux de remplissage (le rapport du volume des billes de zircone au volume de la chambre de broyage) affecte directement à la fois la fréquence de collision entre les billes et leur résistance au cisaillement :
- Taux de remplissage excessivement bas (<60%) : un espacement important des particules entraîne une réduction des cycles d'impact-cisaillement, une faible efficacité de broyage et l'incapacité de décomposer adéquatement les agglomérats de pigments ;
- Taux de remplissage excessivement élevé (>80%) : une faible fluidité du corps de perle peut entraîner une "agglomération", entraînant un surchauffement localisé (augmentation de température de 5 à 10 °C), ce qui à son tour compromet la stabilité de dispersion du pigment ;
- Plage optimale : 65 % à 75 % ; à cette plage, la fréquence de collision des billes peut atteindre 10⁴ à 10⁵ collisions/min, permettant un transfert d'énergie de broyage efficace.
Les billes de zircone non traitées en surface ont des groupes hydroxyle sur leur surface qui forment facilement des liaisons hydrogène avec les nanoparticules, entraînant l'adsorption des pigments à la surface des billes et résultant en une "agglomération secondaire". En revanche, les billes de zircone soumises à une modification de surface, telles que celles revêtues de SiO₂ ou de PDMS (polydiméthylsiloxane), peuvent réduire efficacement ce phénomène d'adsorption. Les données montrent que les billes de zircone revêtues de PDMS peuvent réduire le taux d'adsorption des pigments de 12,5 % à moins de 3 %, optimiser la taille granulométrique D50 de la pâte de couleur de 280 nm à 180 nm et réduire considérablement le taux d'agglomération après stockage statique.
Les billes de zircone présentent un taux d'abrasion extrêmement faible (≤0,005 %), ce qui est considérablement inférieur à celui des billes de verre et des billes d'alumine. Ce faible taux d'abrasion implique moins d'ions d'impuretés introduits pendant le processus de broyage, aidant ainsi à maintenir la stabilité chimique et la distribution granulométrique de la pâte de couleur. Par exemple, les débris de broyage générés par des milieux à forte abrasion peuvent agir comme des impuretés, entraînant une augmentation de la taille des particules de la pâte de couleur et une diminution de ses performances.
La propriété de production de couleur des nanoparticules découle de "l'interaction entre la lumière et les particules de pigment" : plus la distribution granulométrique est étroite et plus les particules sont uniformes, plus la diffusion de la lumière (source de couverture) et l'absorption (source de couleur) deviennent régulières, résultant en une performance de coloration supérieure.
Principe : Lorsque la taille des particules de pigment est approximativement égale à 1/4 de la longueur d'onde de la lumière incidente (pour la lumière visible, la taille de particule optimale se situe entre environ 100 et 190 nm), la diffusion de la lumière atteint sa valeur maximale et le pouvoir couvrant atteint son niveau de pointe. En optimisant les billes de zircone pour stabiliser le D50 du nano-dioxyde de titane à 150 nm, son pouvoir couvrant (rapport de contraste) peut être augmenté de 75 % à plus de 90 %, atteignant un niveau de performance leader dans l'industrie.
Les pigments de taille de particule uniforme présentent une absorption de lumière plus concentrée à des longueurs d'onde spécifiques et produisent des couleurs plus saturées. La différence de couleur ΔE est une métrique standard pour quantifier la déviation de couleur. Dans la plupart des applications industrielles, une valeur ΔE <1,5 est considérée comme une norme de haute qualité, au-delà de la capacité de résolution de l'œil humain. En optimisant le processus de broyage, il est possible d'obtenir une valeur ΔE pour la pâte de couleur inférieure à 1,5, atteignant un niveau indiscernable à l'œil nu.
Plus les particules de pigment sont fines et uniformément réparties, plus la surface du film après revêtement sera lisse, et plus sa brillance sera élevée. Grâce à l'optimisation, la brillance de la couche de film (à 60°) peut être augmentée de 45 GU à plus de 80 GU.
Revêtements architecturaux à base d'eau : il est recommandé d'utiliser des billes de zircone revêtues de SiO₂ avec une taille de particule de 0,2 à 0,3 mm, un taux de remplissage de 70 %, une valeur D50 cible de 150 à 250 nm et un rapport de couverture >90 %.
Encre haut de gamme : recommandée pour l'utilisation de billes de zircone revêtues de PDMS de 0,1 à 0,2 mm avec un taux de remplissage de 65 %, où la taille de particule cible D50 de la pâte de couleur est de 100 à 180 nm et ΔE <1,0.
Cosmétiques (fond de teint) : il est recommandé d'utiliser des billes de zircone non revêtues de haute pureté avec une taille de particule de 0,05 à 0,1 mm ; le D50 de la pâte de couleur cible doit être compris entre 50 et 100 nm, en veillant à ce qu'aucune impureté ne soit libérée.
Glaçure céramique : il est recommandé d'utiliser des billes d'alumine de 0,3 à 0,5 mm ou des billes composites avec un taux de remplissage de 75 %, et une taille de particule cible D50 pour la pâte de couleur comprise entre 200 et 300 nm, afin de répondre aux exigences de résistance aux hautes températures.
- Optimisation technologique personnalisée : comprend le développement de billes de zircone personnalisées "à structure cœur-coque", l'intégration d'un système de broyage intelligent avec surveillance de la taille des particules en ligne, et l'exploration de techniques de dispersion auxiliaires telles que le traitement par ultrasons pour réduire la consommation d'énergie.
- Les défis existants comprennent principalement : la production à grande échelle et le contrôle des coûts des billes de zircone ultrafines d'un diamètre allant de 0,05 à 0,1 mm, ainsi que la manière d'assurer une excellente fluidité et une dispersion uniforme des billes dans les systèmes de dispersion de pigments à haute viscosité.
Les billes de zircone exploitent un mécanisme quadruple - "adaptation de la taille des particules - régulation de l'énergie - anti-adsorption de surface - faible contamination par les impuretés" - pour optimiser efficacement la distribution granulométrique des pigments nanocolorés, améliorant ainsi considérablement leur pouvoir couvrant, leur saturation des couleurs, leur précision des couleurs et leur brillance. Dans les applications pratiques, une sélection précise du modèle approprié est requise en fonction des exigences spécifiques ; les innovations technologiques continues à l'avenir continueront de stimuler l'amélioration des performances des pigments nanocolorés.