Efeito de esferas de zircônia na distribuição do tamanho de partícula e nas propriedades de coloração de suspensões de pigmento

As nanopartículas (tais como o dióxido de titânio nano, óxido de ferro nano e pigmentos orgânicos nanocoloridos) apresentam alta cobertura, alto brilho,e excelente resistência à coloração quando incorporados em revestimentos de cor devido ao seu pequeno tamanho de partícula (normalmente < 1 μm) e grande área específica da superfíciePor conseguinte, encontram ampla aplicação em campos como revestimentos à base de água, tintas, cosméticos e cerâmica de ponta.

1. Desafio de aglomeração: as nanopartículas apresentam uma elevada energia superficial, tornando-as propensas a formar aglomerados duros através de forças de van der Waals ou ligação de hidrogénio,resultando assim numa falta de uniformidade da pasta de cor;
2. Inerente instabilidade da cor: as partículas aglomeradas podem perturbar os princípios de dispersão e absorção da luz, levando a uma cobertura reduzida, cores mais maçantes e brilho diminuído,evitando assim a plena utilização das vantagens de desempenho das nanopartículas.

As contas de zircônio, como meios de moagem de alta eficiência, aproveitam sua alta dureza (dureza de Mohs: 8,5 ̊9), baixa taxa de desgaste,e excelente resistência à degradação dos aglomerados de pigmentos através de um mecanismo de "frequência de cisalhamento"Além disso, são menos propensos a introduzir impurezas que possam contaminar a pasta de cor,tornando-os um fator crítico no controle da distribuição do tamanho das partículas e da intensidade da cor da pasta de cor.

A moagem de pigmentos de nanomateriais deve respeitar o princípio de que "o tamanho das partículas do meio de moagem deve ser compatível com o tamanho das partículas de pigmento alvo":Quanto menor o tamanho do grão de zircônio, quanto mais concentrada for a força de cisalhamento aplicada aos aglomerados de pigmento, permitindo a decomposição de partículas aglomeradas mais finas;As contas excessivamente pequenas podem resultar em energia de impacto insuficientePor exemplo, quando se utilizam grânulos de zircônio de 0,1 mm para um processo de moagem de 2 horas, o tamanho médio das partículas (D50) da pasta de cor pode atingir 120 nm,com uma distribuição de tamanho de partícula estreitaEm contrapartida, quando se utilizam grânulos de 0,5 mm e 1,0 mm nas mesmas condições de moagem, os valores D50 aumentam para 250 nm e 480 nm, respectivamente,acompanhada da formação de aglomerados mais grandesPor conseguinte, para pastas de cor que visem uma faixa de tamanho de partícula de 100 a 300 nm, recomenda-se utilizar grânulos de zircônio de 0,1 a 0,3 mm.

A relação de enchimento (a relação entre o volume de grânulos de zircônio e o volume da câmara de moagem) afecta directamente tanto a frequência de colisão entre as grânulas como a sua resistência ao cisalhamento:

• Taxa de enchimento excessivamente baixa (< 60%): um grande espaçamento entre as partículas resulta em ciclos de corte de impacto reduzidos, baixa eficiência de moagem e falha na degradação adequada dos aglomerados de pigmento;
• Taxa de enchimento excessivamente elevada (> 80%): A má fluidez do corpo da pérola pode conduzir a "aglomeração", resultando em sobreaquecimento localizado (aumento da temperatura de 5 ̊10 °C),que por sua vez compromete a estabilidade de dispersão do pigmento;
• Intervalo óptimo: 65%~75%; neste intervalo, a frequência de colisão das contas pode atingir 104~105 colisões/min, permitindo uma transferência eficiente de energia de moagem.

As contas de zircônio não tratadas de superfície têm grupos hidroxila na sua superfície que formam facilmente ligações de hidrogénio com nanopartículas,levando à adsorção de pigmentos na superfície das contas e resultando numa "aglomeração secundária"Em contrapartida, as contas de zircônio submetidas a modificações de superfície, como as revestidas com SiO2 ou PDMS (polydimethylsiloxane), podem reduzir eficazmente este fenómeno de adsorção.Os dados mostram que as contas de zircônio revestidas com PDMS podem reduzir a taxa de adsorção do pigmento de 120,5% para menos de 3%, otimizar o tamanho de partícula D50 da pasta de cor de 280 nm para 180 nm e reduzir significativamente a taxa de aglomeração após armazenamento estático.

As contas de zircônio apresentam uma taxa de abrasão extremamente baixa (≤ 0,005%), que é significativamente inferior à das contas de vidro e das contas de alumina.Esta baixa taxa de abrasão implica menos iões de impurezas introduzidos durante o processo de moagem, contribuindo assim para manter a estabilidade química e a distribuição do tamanho das partículas da pasta de cor. Por exemplo, os detritos de moagem gerados por meios de alta abrasão podem atuar como impurezas,levando a um aumento do tamanho das partículas da pasta de cor e a uma diminuição do seu desempenho.

A propriedade de produção de cor das nanopartículas decorre da "interação entre partículas de luz e pigmento": quanto mais estreita for a distribuição do tamanho das partículas e mais uniformes as partículas,Quanto mais regular a dispersão da luz (fonte de cobertura) e absorção (fonte de cor) se tornam, o que resulta num desempenho de coloração superior.

Princípio: Quando o tamanho das partículas de pigmento for aproximadamente 1/4 do comprimento de onda da luz incidente (para a luz visível, o tamanho ideal das partículas varia entre aproximadamente 100 e 190 nm),Dispersão da luz atinge o seu valor máximoOtimizando as contas de zircônio para estabilizar o D50 de dióxido de nano-titânio a 150 nm,a sua potência de cobertura (ratio de contraste) pode ser aumentada de 75% para mais de 90%, alcançando um nível de desempenho líder no sector.

Os pigmentos com tamanho de partícula uniforme exibem absorção mais concentrada de luz em comprimentos de onda específicos e produzem cores mais saturadas.A diferença de cor ΔE é uma métrica padrão para quantificar o desvio de corNa maioria das aplicações industriais, um valor ΔE < 1,5 é considerado um padrão de alta qualidade, além da capacidade de resolução do olho humano.é possível obter um valor ΔE para a pasta de cor inferior a 1.5, atingindo um nível que é indistinguível a olho nu.

Quanto mais finas e uniformemente distribuídas forem as partículas de pigmento, mais lisa será a superfície do filme após o revestimento e maior será o seu brilho.O brilho da camada de película (a 60°) pode ser aumentado de 45 GU para mais de 80 GU.

Revestimentos arquitetónicos à base de água: Recomenda-se a utilização de grânulos de zircônio revestidos com SiO2 com uma dimensão de partícula de 0,2 ∼0,3 mm, uma taxa de enchimento de 70%, um valor-alvo D50 de 150 ∼250 nm,e uma taxa de cobertura > 90%.

Tinta de ponta: Recomenda-se a utilização de grânulos de zircônio revestidos com PDMS de 0,1 ∼0,2 mm com uma taxa de enchimento de 65%, onde o tamanho de partícula D50 da pasta de cor é de 100 ∼180 nm e ΔE < 1.0.

Cosméticos (fundação): Recomenda-se utilizar grânulos de zircônio de alta pureza não revestidos com uma dimensão de partícula de 0,05 ∼0,1 mm; a D50 da pasta de cor-alvo deve situar-se entre 50 ∼100 nm,assegurar que não se libertam impurezas.

Esmaltes cerâmicos: Recomenda-se a utilização de grânulos de alumina de 0,3 ∼0,5 mm ou de grânulos compósitos com uma taxa de enchimento de 75% e um tamanho de partícula D50 alvo para a pasta de cores entre 200 ∼300 nm,para satisfazer os requisitos de resistência à alta temperatura.

1. Optimização da tecnologia personalizada: inclui o desenvolvimento de contas de zircônio personalizadas "estruturadas em casca de núcleo", integração de um sistema inteligente de moagem com monitoramento de tamanho de partícula on-line,e exploração de técnicas auxiliares de dispersão, como o tratamento por ultra-som, para reduzir o consumo de energia.
2. Os desafios existentes incluem principalmente: a produção em larga escala e o controlo dos custos de grânulos de zircônio ultrafinos com diâmetros que variam de 0,05 a 0,1 mm,bem como a forma de assegurar uma excelente fluidez e dispersão uniforme das contas dentro de sistemas de dispersão de pigmentos de alta viscosidade.

Zirconia beads leverage a fourfold mechanism— "particle size matching – energy regulation – surface anti-adsorption – low impurity contamination" —to effectively optimize the particle size distribution of nano-color pigments, melhorando significativamente seu poder de ocultação, saturação de cores, precisão de cores e brilho.É necessária uma selecção precisa do modelo adequado com base em requisitos específicosAs inovações tecnológicas em curso no futuro impulsionarão ainda mais a melhoria do desempenho do pigmento de nanocolores.