صياغة المواد المركبة المعززة بالموجات فوق الصوتية
- تتميز المواد المركبة بخصائص مادية فريدة، مثل التحسن الكبير في الثبات الحراري ومعامل المرونة ومقاومة الشد ومقاومة الكسر، ولذلك تُستخدم على نطاق واسع في تصنيع منتجات متنوعة.
- ثبت أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تنتج مواد مركبة نانوية عالية الجودة تحتوي على أنابيب كربون نانوية (CNTs) وغرافين وغيرهما بدرجة عالية من التشتيت.
- تتوفر معدات الموجات فوق الصوتية لصياغة المواد المركبة المعززة على نطاق صناعي.
المواد المركبة النانوية
تتميز المواد المركبة النانوية بخصائصها الميكانيكية والكهربائية والحرارية والبصرية والكهروكيميائية و/أو التحفيزية.
بفضل النسبة العالية للغاية بين مساحة السطح والحجم للطور المعزز و/أو نسبة أبعاده العالية للغاية، تتفوق المواد المركبة النانوية في أدائها بدرجة كبيرة على المواد المركبة التقليدية. ويشيع استخدام الجسيمات النانوية، مثل السيليكا الكروية، والصفائح المعدنية، مثل الغرافين المقشر أو الطين، والألياف النانوية، مثل أنابيب الكربون النانوية أو الألياف المغزولة كهربائيًا، لأغراض التعزيز.
على سبيل المثال، تُضاف أنابيب الكربون النانوية لتحسين التوصيل الكهربائي والحراري، وتُستخدم السيليكا النانوية لتحسين الخصائص الميكانيكية والحرارية ومقاومة الماء. وتوفر أنواع أخرى من الجسيمات النانوية خصائص بصرية وعازلة محسنة، ومقاومة أفضل للحرارة، أو خصائص ميكانيكية محسنة، مثل الصلابة والمتانة ومقاومة التآكل والتلف.
أمثلة على المواد المركبة النانوية المصاغة بالموجات فوق الصوتية:
- أنابيب الكربون النانوية (CNT) في مصفوفة من إستر الفينيل
- CNTs / بصلات الكربون / ألماس نانوي في مصفوفة من معدن النيكل
- CNTs في مصفوفة من سبيكة المغنيسيوم
- CNTs في مصفوفة من كحول البولي فينيل (PVA)
- أنبوب كربون نانوي متعدد الجدران (MWCNT) في مصفوفة من راتنج الإيبوكسي (باستخدام أنهيدريد ميثيل رباعي هيدرو الفثاليك (MTHPA) عاملًا للتصلب)
- أكسيد الغرافين في مصفوفة من بولي(كحول الفينيل) (PVA)
- جسيمات SiC النانوية في مصفوفة من المغنيسيوم
- سيليكا نانوية (Aerosil) في مصفوفة من البولي ستايرين
- أكسيد الحديد المغناطيسي في مصفوفة من البولي يوريثان المرن (PU)
- أكسيد النيكل في غرافيت/بولي(كلوريد الفينيل)
- جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية في مصفوفة من البوليمر المشترك لحمضي اللاكتيك والغليكوليك (PLGA)
- هيدروكسي أباتيت نانوي في مصفوفة من البوليمر المشترك لحمضي اللاكتيك والغليكوليك (PLGA)
التشتيت بالموجات فوق الصوتية
يمكن التحكم بدقة في معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتكييفها على النحو الأمثل مع تركيب المادة وجودة المنتج المطلوبة. ويُعد التشتيت بالموجات فوق الصوتية التقنية الموصى بها لدمج الجسيمات النانوية، مثل CNTs أو الغرافين، في المواد المركبة النانوية. وقد خضع تشتيت المواد المركبة النانوية وصياغتها بالموجات فوق الصوتية لاختبارات علمية طويلة الأمد وطُبق في العديد من مصانع الإنتاج الصناعي، مما يجعله طريقة راسخة. وتضمن خبرة Hielscher الطويلة في معالجة المواد النانوية بالموجات فوق الصوتية تقديم استشارات معمقة، والتوصية بمنظومة مناسبة للموجات فوق الصوتية، وتوفير المساعدة أثناء تطوير العملية وتحسينها.
تُشتت الجسيمات النانوية المعززة غالبًا داخل المصفوفة أثناء المعالجة. وتكون النسبة المئوية الوزنية (الكسر الكتلي) للمادة النانوية المضافة منخفضة، مثلًا من 0.5% إلى 5%، لأن التشتيت المتجانس الذي تحققه المعالجة بالموجات فوق الصوتية يتيح تقليل كمية الحشوات المعززة وتحقيق أداء تعزيز أعلى.
من التطبيقات النموذجية للموجات فوق الصوتية في التصنيع صياغة مادة مركبة من الجسيمات النانوية والراتنج. ولإنتاج إستر الفينيل المعزز بأنابيب الكربون النانوية، تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتشتيت CNTs وإكسابها مجموعات وظيفية. وتتميز مواد إستر الفينيل المحتوية على CNTs هذه بخصائص كهربائية وميكانيكية محسنة.
انقر هنا لقراءة المزيد عن تشتيت CNTs!
جسيم نانوي أُكسب مجموعات وظيفية بالموجات فوق الصوتية
جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1500hd مع مفاعل ذي تدفق مستمر
الغرافين
يوفر الغرافين خصائص فيزيائية استثنائية ونسبة أبعاد عالية وكثافة منخفضة. ويُدمج الغرافين وأكسيد الغرافين في مصفوفة مركبة للحصول على بوليمرات خفيفة الوزن وعالية المتانة. ولتحقيق التعزيز الميكانيكي، يجب تشتيت صفائح / صفيحات الغرافين تشتيتًا دقيقًا للغاية، لأن صفائح الغرافين المتكتلة تحد بشدة من تأثير التعزيز.
أظهرت الأبحاث العلمية أن مقدار التحسن يعتمد في الغالب على درجة تشتيت صفائح الغرافين في المصفوفة. ولا يحقق التأثيرات المطلوبة إلا الغرافين المشتت بصورة متجانسة. وبسبب كراهيته الشديدة للماء وتجاذب فان دير فالس، يميل الغرافين إلى التجمع والتكتل في رقائق تتكون من صفائح أحادية الطبقة ضعيفة التفاعل فيما بينها.
بينما تعجز تقنيات التشتيت الشائعة غالبًا عن إنتاج مشتتات غرافين متجانسة وخالية من التلف، تنتج أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة مشتتات غرافين عالية الجودة. وتعالج أجهزة Hielscher للموجات فوق الصوتية الغرافين البكر وأكسيد الغرافين وأكسيد الغرافين المختزل بسهولة، من التركيزات المنخفضة إلى العالية ومن الأحجام الصغيرة إلى الكبيرة. ومن المذيبات الشائعة الاستخدام N-ميثيل-2-بيروليدون (NMP)، لكن الموجات فوق الصوتية عالية القدرة تتيح تشتيت الغرافين حتى في المذيبات ضعيفة القدرة على الإذابة ذات درجات الغليان المنخفضة، مثل الأسيتون والكلوروفورم وIPA والسيكلوهكسانون.
انقر هنا لقراءة المزيد عن تقشير الغرافين بكميات كبيرة!
أنابيب الكربون النانوية والمواد النانوية الأخرى
ثبت أن الموجات فوق الصوتية عالية القدرة تنتج مشتتات دقيقة الحجم لمختلف المواد النانوية، بما فيها أنابيب الكربون النانوية (CNTs) وSWNTs وMWNTs والفوليرينات والسيليكا (SiO2) وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) والفضة (Ag) وأكسيد الزنك (ZnO) والسليلوز ذي اللييفات النانوية وغيرها الكثير. وبوجه عام، تتفوق المعالجة بالموجات فوق الصوتية على أجهزة التشتيت التقليدية ويمكنها تحقيق نتائج فريدة.
إلى جانب طحن الجسيمات النانوية وتشتيتها، تتحقق نتائج ممتازة من خلال تخليق الجسيمات النانوية بالترسيب بالموجات فوق الصوتية (التخليق من الأسفل إلى الأعلى). وقد لوحظ أن حجم الجسيمات، مثل جسيمات المغنيتيت وموليبدات الصوديوم والزنك وغيرها المخلقة بالموجات فوق الصوتية، أصغر من الحجم الناتج باستخدام الطريقة التقليدية. ويُعزى هذا الحجم الأصغر إلى زيادة معدل التنوي وتحسن أنماط الخلط بفعل القص والاضطراب الناتجين عن التجويف بالموجات فوق الصوتية.
انقر هنا لمعرفة المزيد عن الترسيب بالموجات فوق الصوتية من الأسفل إلى الأعلى!
إكساب الجسيمات مجموعات وظيفية بالموجات فوق الصوتية
تزداد مساحة السطح النوعية للجسيم مع انخفاض حجمه. وفي تقنية النانو خصوصًا، يزداد ظهور خصائص المادة بدرجة كبيرة نتيجة زيادة مساحة سطح الجسيم. ويمكن زيادة مساحة السطح وتعديلها بالموجات فوق الصوتية من خلال ربط جزيئات وظيفية مناسبة بسطح الجسيم. وفيما يتعلق بتطبيق المواد النانوية واستخدامها، تكتسب الخصائص السطحية أهمية تعادل أهمية خصائص لب الجسيم.
تُستخدم الجسيمات المُكسبة مجموعات وظيفية بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في البوليمرات والمواد المركبة والمواد المركبة الحيوية والموائع النانوية والأجهزة المجمعة والأدوية النانوية وغيرها. ويؤدي إكساب الجسيمات مجموعات وظيفية إلى تحسن كبير في خصائص مثل الثبات والمتانة والصلابة والذوبانية وتعدد التشتت والتفلور والمغناطيسية والمغناطيسية الفائقة والامتصاص البصري وكثافة الإلكترونات العالية والتألق الضوئي وغيرها.
تشمل الجسيمات الشائعة التي تُكسب مجموعات وظيفية تجاريًا باستخدام أنظمة Hielscher للموجات فوق الصوتية CNTs وSWNTs وMWNTs والغرافين والغرافيت والسيليكا (SiO2) والألماس النانوي والمغنيتيت (أكسيد الحديد، Fe3O4) وجسيمات الفضة النانوية وجسيمات الذهب النانوية والجسيمات النانوية المسامية ومتوسطة المسام وغيرها.
انقر هنا للاطلاع على ملاحظات تطبيقية مختارة لمعالجة الجسيمات بالموجات فوق الصوتية!
أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية
تتوفر معدات Hielscher للتشتيت بالموجات فوق الصوتية للاستخدام المختبري وعلى طاولة العمل وللإنتاج الصناعي. وتتميز أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بالموثوقية والمتانة وسهولة التشغيل والتنظيف. وقد صُممت المعدات للعمل على مدار 24/7 في ظروف التشغيل الشاقة. ويمكن استخدام أنظمة الموجات فوق الصوتية للمعالجة على دفعات وضمن خط الإنتاج – بمرونة وسهولة تكييف مع عمليتك ومتطلباتك.
قدرات المعالجة بالموجات فوق الصوتية على دفعات وضمن خط الإنتاج
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 5 إلى 200mL | 50 إلى 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 إلى 2L | 0.25 إلى 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 إلى 10L | 1 إلى 8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 إلى 30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | أكثر من 30m3/hr | مجموعة من أجهزة UIP10000 أو UIP16000 |
جهاز مختبري للمعالجة بالموجات فوق الصوتية لإكساب الجسيمات مجموعات وظيفية
المصادر والمراجع
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “دراسة أداء تثبيط التآكل لصبغة نانوية من موليبدات الصوديوم والزنك محضرة بالموجات فوق الصوتية في طلاء إيبوكسي–بولي أميد ثنائي المكونات. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): تحضير مواد مركبة نانوية جديدة من رغوة البولي يوريثان المغناطيسية باستخدام جسيمات نانوية ذات بنية لب–غلاف. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): تحضير مادة مركبة من أكسيد الغرافين–البولي ستايرين. المؤتمر الدولي الـ3 للبيئة والكيمياء والأحياء. IPCBEE vol.78, 2014.
حقائق جديرة بالمعرفة
عن المواد المركبة
تُوصف المواد المركبة (المعروفة أيضًا بمواد التركيب) بأنها مواد مصنوعة من مكونين أو أكثر تتميز بخصائص فيزيائية أو كيميائية مختلفة بدرجة كبيرة. وعند دمج هذه المواد المكونة، تُنتج مادة جديدة – تُسمى المادة المركبة – تتميز بخصائص مختلفة عن خصائص المكونات الفردية. وتبقى المكونات الفردية منفصلة ومتميزة داخل البنية النهائية.
تتميز المادة الجديدة بخصائص أفضل، فهي مثلًا أقوى أو أخف وزنًا أو أكثر مقاومة أو أقل تكلفة مقارنة بالمواد التقليدية. وتشمل التحسينات في المواد المركبة النانوية الخصائص الميكانيكية والكهربائية / التوصيلية والحرارية والبصرية والكهروكيميائية والتحفيزية.
تشمل المواد المركبة الهندسية النموذجية:
- المواد المركبة الحيوية
- اللدائن المعززة، مثل البوليمر المعزز بالألياف
- المواد المركبة المعدنية
- المواد المركبة الخزفية (المواد المركبة ذات المصفوفة الخزفية وذات المصفوفة المعدنية)
تُستخدم المواد المركبة عمومًا في مواد البناء والإنشاء، مثل هياكل القوارب وأسطح العمل وهياكل السيارات وأحواض الاستحمام وخزانات التخزين والجرانيت المقلد وأحواض المغاسل المصنوعة من الرخام الصناعي، وكذلك في المركبات الفضائية والطائرات.
يمكن أيضًا أن تستخدم المواد المركبة أليافًا معدنية لتعزيز معادن أخرى، كما في المواد المركبة ذات المصفوفة المعدنية (MMC) أو المواد المركبة ذات المصفوفة الخزفية (CMC)، التي تشمل العظام (هيدروكسي أباتيت معزز بألياف الكولاجين) والسيرمت (الخزف والمعدن) والخرسانة.
تشمل المواد المركبة ذات المصفوفة العضوية/الركام الخزفي الخرسانة الأسفلتية والخرسانة البوليمرية والأسفلت المصطكي وmastic roller hybrid والمواد المركبة السنية والرغوة السينتاكتية وعرق اللؤلؤ.
عن تأثيرات الموجات فوق الصوتية على الجسيمات
يمكن ملاحظة خصائص الجسيمات عند تقليل حجم الجسيم إلى مستوى معين (يُعرف بالحجم الحرج). وعندما تصل أبعاد الجسيمات إلى مستوى النانومتر، تتحسن التفاعلات عند الواجهات البينية للأطوار بدرجة كبيرة، وهو أمر بالغ الأهمية لتحسين خصائص المواد. ولذلك، تكتسب نسبة مساحة السطح : الحجم للمواد المستخدمة للتعزيز في المواد المركبة النانوية أهمية قصوى. وتوفر المواد المركبة النانوية مزايا تقنية واقتصادية لجميع قطاعات الصناعة تقريبًا، بما فيها قطاعات الطيران والفضاء والسيارات والإلكترونيات والتقنية الحيوية والصناعات الدوائية والطب. ومن مزاياها الكبيرة الإضافية أنها صديقة للبيئة.
تحسن الموجات فوق الصوتية عالية القدرة قابلية البلل والتجانس بين المصفوفة والجسيمات بفعل الخلط والتشتيت المكثفين الناتجين عن التجويف بالموجات فوق الصوتية. ونظرًا إلى أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية هي طريقة التشتيت الأكثر استخدامًا والأكثر نجاحًا للمواد النانوية، فإن أنظمة Hielscher للموجات فوق الصوتية مثبتة في المختبرات والمنشآت التجريبية ومنشآت الإنتاج في جميع أنحاء العالم.