إنتاج الهلام المائي بمزايا محسّنة عبر المعالجة بالموجات فوق الصوتية

المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية عالية الفعالية وموثوقة وبسيطة لتحضير الهلام المائي عالي الأداء. ويوفر هذا الهلام المائي خصائص ممتازة للمادة، مثل قدرات الامتصاص، واللزوجة المرنة، والقوة الميكانيكية، ومعامل الانضغاط، ووظائف الإصلاح الذاتي.

البلمرة والتشتيت بالموجات فوق الصوتية لإنتاج الهلام المائي

الهلام المائي عبارة عن شبكات بوليمرية ثلاثية الأبعاد محبة للماء، قادرة على امتصاص كميات كبيرة من الماء أو السوائل. ويُظهر الهلام المائي قدرة استثنائية على الانتفاخ. وتشمل الوحدات البنائية الشائعة للهلام المائي كحول البولي فينيل، وبولي إيثيلين غليكول، وبولي أكريلات الصوديوم، وبوليمرات الأكريلات، والكربومرات، وعديدات السكاريد أو عديدات الببتيد التي تحتوي على عدد كبير من المجموعات المحبة للماء، والبروتينات الطبيعية مثل الكولاجين والجيلاتين والفيبرين.
يتكون ما يُسمّى بالهلام المائي الهجين من مواد متنوعة تختلف كيميائيًا ووظيفيًا ومورفولوجيًا، مثل البروتينات أو الببتيدات أو البنى النانوية / الميكرومترية.
يُستخدم التشتيت بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع بوصفه تقنية عالية الكفاءة وموثوقة لتوزيع المواد النانوية توزيعًا متجانسًا داخل المصفوفة البوليمرية للهلام المائي، مثل الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs, MWCNTs, SWCNTs)، وبلورات السليلوز النانوية، وألياف الكيتين النانوية، وثاني أكسيد التيتانيوم، وجسيمات الفضة النانوية، والبروتينات وغيرها من البنى الميكرومترية أو النانوية. وهذا يجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية أداة رئيسية لإنتاج هلام مائي عالي الأداء ذي خصائص استثنائية.

ما تظهره الأبحاث – تحضير الهلام المائي بالموجات فوق الصوتية

أولًا، تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية تفاعلات البلمرة والتشابك أثناء تكوّن الهلام المائي.
ثانيًا، ثبت أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية تشتيت موثوقة وفعالة لإنتاج الهلام المائي والهلام المائي المركّب النانوي.

تشابك الهلام المائي وبلمرته بالموجات فوق الصوتية

تساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تكوّن الشبكات البوليمرية أثناء تخليق الهلام المائي من خلال توليد الجذور الحرة. وتولّد الموجات فوق الصوتية الشديدة تجويفًا صوتيًا يسبب قوى قص عالية، وقصًا جزيئيًا، وتكوّن الجذور الحرة.

حضّر Cass وآخرون (2010) عدة أنواع من الهلام المائي الأكريليكي: «حُضّر الهلام المائي الأكريليكي عبر البلمرة بالموجات فوق الصوتية للمونومرات والمونومرات كبيرة الجزيئات القابلة للذوبان في الماء. واستُخدمت الموجات فوق الصوتية لتوليد جذور بادئة في محاليل مائية لزجة للمونومرات باستخدام إضافات glycerol أو sorbitol أو glucose في نظام مفتوح عند 37°C. وكانت الإضافات القابلة للذوبان في الماء ضرورية لإنتاج الهلام المائي، وكان glycerol أكثرها فعالية. وحُضّر الهلام المائي من مونومرات 2-hydroxyethyl methacrylate، وpoly(ethylene glycol) dimethacrylate، وdextran methacrylate، وacrylic acid/ethylene glycol dimethacrylate، وacrylamide/bis-acrylamide.» [Cass et al. 2010] وُجد أن تطبيق الموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية مزوّد بمسبار طريقة فعالة لبلمرة مونومرات الفينيل القابلة للذوبان في الماء وتحضير الهلام المائي لاحقًا. وتحدث البلمرة التي تبدأ بالموجات فوق الصوتية بسرعة في غياب بادئ كيميائي.
اطّلع على البروتوكول الكامل للدراسة هنا!
 

تشتيت السيليكا المدخنة بالموجات فوق الصوتية: يشتّت المجانس بالموجات فوق الصوتية UP400S من Hielscher مسحوق السيليكا بسرعة وكفاءة إلى جسيمات نانوية منفردة.

اقرأ المزيد عن تخليق الهلام المائي المركّب النانوي والهلام النانوي بالموجات فوق الصوتية!

تتوافق المعالجة بالموجات فوق الصوتية مع جميع أنواع البوليمرات والبوليمرات الحيوية، وتتيح تدعيم الهلام المائي الهجين بمواد ذات بنى نانوية، مثل الجسيمات النانوية أو البلورات النانوية أو الألياف النانوية. ويتيح تدعيم الهلام المائي بمواد نانوية متنوعة تعديل الخصائص الفيزيائية والكيميائية والريولوجية والميكانيكية للهلام المائي المركّب النانوي والتحكم فيها، إذ تُعد البنى المجهرية العامل الأساسي المحدد لخصائص المادة الناتجة.

تصنيع هلام مائي من Poly(acrylamide-co-itaconic acid) – MWCNT باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية

أنتج Mohammadinezhada وآخرون (2018) بنجاح مركّبًا من الهلام المائي فائق الامتصاص يحتوي على poly(acrylamide-co-itaconic acid) وأنابيب نانوية كربونية متعددة الجدران (MWCNTs). وأُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز Hielscher للموجات فوق الصوتية UP200S. ازدادت ثباتية الهلام المائي مع زيادة نسب MWCNTs، وهو ما قد يُعزى إلى طبيعة MWCNTs الكارهة للماء، وكذلك إلى زيادة كثافة عامل التشابك. كما ازدادت قدرة الهلام المائي P(AAm-co-IA) على الاحتفاظ بالماء (WRC) في وجود MWCNT (10 wt%). وفي هذه الدراسة، قُيّمت تأثيرات المعالجة بالموجات فوق الصوتية بأنها متفوقة من حيث التوزيع المنتظم للأنابيب النانوية الكربونية على سطح البوليمر. وظلت MWCNTs سليمة دون أي انقطاع في البنية البوليمرية. إضافة إلى ذلك، ازدادت قوة المركّب النانوي الناتج وقدرته على الاحتفاظ بالماء وامتصاص مواد أخرى قابلة للذوبان مثل Pb (II). وفككت المعالجة بالموجات فوق الصوتية البادئ وشتّتت MWCNTs بوصفها مادة حشو ممتازة في سلاسل البوليمر مع ارتفاع درجة الحرارة.
ويخلص الباحثون إلى أن «ظروف التفاعل هذه لا يمكن تحقيقها بالطرق التقليدية، كما لا يمكن تحقيق التجانس والتشتيت الجيد للجسيمات داخل المادة المضيفة. إضافة إلى ذلك، تفصل عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية الجسيمات النانوية إلى جسيمات منفردة، بينما لا يستطيع التحريك فعل ذلك. وتتمثل آلية أخرى لتقليل الحجم في تأثير الموجات الصوتية القوية على الروابط الثانوية، مثل الروابط الهيدروجينية، إذ يكسر هذا التشعيع الروابط الهيدروجينية بين الجسيمات، ومن ثم يفكك الجسيمات المتجمعة ويزيد عدد مجموعات الامتزاز الحرة مثل -OH وإمكانية الوصول إليها. وبذلك، تجعل هذه الظاهرة المهمة عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة متفوقة على طرق أخرى، مثل التحريك المغناطيسي المستخدم في الأدبيات.» [Mohammadinezhada et al., 2018]

أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتخليق الهلام المائي

تصنّع Hielscher Ultrasonics معدات عالية الأداء تعمل بالموجات فوق الصوتية لتخليق الهلام المائي. فمن أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية الصغيرة والمتوسطة للبحث والتطوير والاستخدام التجريبي إلى الأنظمة الصناعية لتصنيع الهلام المائي تجاريًا في الوضع المستمر، تلبي Hielscher Ultrasonics متطلبات عملياتكم.
يمكن لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية المصممة للاستخدام الصناعي توفير سعات اهتزاز عالية جدًا، تتيح تفاعلات تشابك وبلمرة موثوقة وتشتيتًا منتظمًا للجسيمات النانوية. ويمكن بسهولة تشغيل سعات اهتزاز تصل إلى 200µm بصورة مستمرة في نمط تشغيل 24/7/365. وللحصول على سعات اهتزاز أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية.

تواصلوا معنا اليوم للحصول على معلومات تقنية إضافية وأسعار وعرض سعر غير ملزم. ويسرّ فريقنا ذو الخبرة الطويلة تقديم المشورة لكم!
يوفر لكم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:

تسهّل SonoStation من Hielscher المعالجة بالموجات فوق الصوتية للدفعات متوسطة الحجم باستخدام مفاعل ذي خلية التدفق. تجمع SonoStation المدمجة بين خزان مزود بتحريك بسعة 38 لترًا ومضخة ذات تجويف تقدمي قابلة للضبط، يمكنها تغذية مفاعل واحد أو مفاعلين ذوي خلية التدفق بالموجات فوق الصوتية بمعدل يصل إلى 3 لترات في الدقيقة.