Ултразвукова формулировка на подсилени композити
- Композитите показват уникални свойства на материала като значително повишена термостабилност, модул на еластичност, якост на опън, якост на счупване и поради това се използват широко в производството на колекторни продукти.
- Доказано е, че Sonication произвежда висококачествени нанокомпозити с силно диспергирани CNT, графен и др.
- Ултразвуково оборудване за формулиране на подсилени композити се предлага в индустриален мащаб.
нанокомпозити
Нанокомпозитите се отличават със своите механични, електрически, термични, оптични, електрохимични и/или каталитични свойства.
Поради изключително високото си съотношение повърхност към обем на подсилващата фаза и/или изключително високото им съотношение, нанокомпозитите са значително по-ефективни от конвенционалните композити. Наночастици като сферичен силициев диоксид, минерални листове като ексфолиран графен или глина или нановлакна като въглеродни нанотръби или електропредени влакна често се използват за армировка.
Например, въглеродните нанотръби се добавят за подобряване на електрическата и топлопроводимостта, наносилициевият диоксид се използва за подобряване на механичните, термичните и водоустойчивите свойства. Други видове наночастици дават подобрени оптични свойства, диелектрични свойства, топлоустойчивост или механични свойства като твърдост, здравина и устойчивост на корозия и повреди.
Примери за ултразвуково формулирани нанокомпозити:
- въглеродни нанотръби (CNT) в винилова естерна матрица
- CNT / въглероден лук / нано диаманти в никелова метална матрица
- CNT в матрица от магнезиева сплав
- CNT в матрица от поливинилов алкохол (PVA)
- многостенни въглеродни нанотръби (MWCNT) в матрица от епоксидна смола (с използване на метил тетрахидрофтален анхидрид (MTHPA) като втвърдител)
- графенов оксид в поли(винилов алкохол) (PVA) матрица
- SiC наночастици в магнезиева матрица
- нано силициев диоксид (Aerosil) в полистиролова матрица
- магнитен железен оксид в гъвкава полиуретанова (PU) матрица
- никелов оксид в графит/поли(винилхлорид)
- титанови наночастици в матрица от поли-млечна когликолова киселина (PLGA)
- нано хидроксиапатит в матрица от полимлечно-когликолова киселина (PLGA)
Ултразвукова дисперсия
Ултразвуковите параметри на процеса могат да бъдат точно контролирани и оптимално адаптирани към състава на материала и желаното качество на изхода. Ултразвуковата дисперсия е препоръчителната техника за включване на наночастици като CNT или графен в нанокомпозити. Дългогодишно тестван на научно ниво и приложен в много промишлени производствени предприятия, ултразвуковата дисперсия и формулиране на нанокомпозити е утвърден метод. Дългогодишният опит на Hielsher в ултразвуковата обработка на наноматериали гарантира задълбочено консултиране, препоръка за подходяща ултразвукова настройка и помощ по време на разработването и оптимизацията на процеса.
Най-вече подсилващите наночастици се диспергират в матрицата по време на обработката. Тегловният процент (масова част) на добавения наноматериал в долната скала, например 0,5% до 5%, тъй като равномерната дисперсия, постигната чрез ултразвук, позволява спестяване на подсилващите пълнители и по-висока производителност на армировката.
Типично приложение на ултразвука в производството е формулирането на композит от наночастици и смола. За производството на подсилен с CNT винилов естер се използва ултразвук за разпръскване и функционализиране на CNT. Тези CNT-винилови естери се характеризират с подобрени електрически и механични свойства.
Кликнете тук, за да прочетете повече за разпространението на CNT!
графен
Графенът предлага изключителни физични свойства, високо съотношение на страните и ниска плътност. Графенът и графеновият оксид са интегрирани в композитна матрица, за да се получат леки полимери с висока якост. За да се постигне механично подсилване, графеновите листове/тромбоцити трябва да бъдат много фино диспергирани, тъй като агломерираните графенови листове ограничават драстично подсилващия ефект.
Научните изследвания показват, че степента на подобрение зависи най-вече от степента на дисперсия на графеновите листове в матрицата. Само хомогенно диспергираният графен дава желаните ефекти. Поради силната си хидрофобност и привличането на Ван дер Ваалс, графенът е склонен да агрегира и агломерира на люспи от слабо взаимодействащи еднослойни листове.
Докато обичайните техники за дисперсия често не могат да произведат хомогенни, неповредени графенови дисперсии, ултразвуковите апарати с висока мощност произвеждат висококачествени графенови дисперсии. Ултразвуковите апарати на Hielscher се справят безпроблемно с чист графен, графенов оксид и редуциран графенов оксид от ниска до висока концентрация и от малки до големи обеми. Често използван разтворител е N-метил-2-пиролидон (NMP), но при ултразвук с висока мощност графенът може дори да се диспергира в лоши разтворители с ниска точка на кипене като ацетон, хлороформ, IPA и циклохексанон.
Кликнете тук, за да прочетете повече за насипното ексфолиране на графен!
Въглеродни нанотръби и други наноматериали
Доказано е, че мощната ултразвукова техника води до фини дисперсии на различни наноматериали, включително въглеродни нанотръби (CNT), SWNT, MWNT, фулерени, силициев диоксид (SiO2), титанов диоксид (TiO2), сребро (Ag), цинков оксид (ZnO), нанофибрилирана целулоза и много други. Като цяло ултразвукът превъзхожда конвенционалните диспергатори и може да постигне уникални резултати.
Освен смилането и диспергирането на наночастици, отлични резултати се постигат чрез синтезиране на наночастици чрез ултразвуково утаяване (синтез отдолу нагоре). Забелязано е, че размерът на частиците, например на ултразвуково синтезиран магнетит, натриев цинков молибдат и други, е по-нисък в сравнение с този, получен по конвенционалния метод. По-ниският размер се дължи на повишената скорост на нуклеация и по-добрите модели на смесване поради срязването и турбуленцията, генерирани от ултразвукова кавитация.
Щракнете тук, за да научите повече за ултразвуковите валежи отдолу нагоре!
Функционализация на ултразвукови частици
Специфичната повърхност на частицата се увеличава с намаляването на размера. Особено в нанотехнологиите изразяването на характеристиките на материала се увеличава значително чрез увеличена повърхност на частицата. Повърхността може да бъде ултразвуково увеличена и модифицирана чрез прикрепване на подходящи функционални молекули върху повърхността на частиците. По отношение на приложението и използването на наноматериали, свойствата на повърхността са също толкова важни, колкото и свойствата на сърцевината на частиците.
Ултразвуково функционализираните частици се използват широко в полимери, композити & биокомпозити, нанофлуиди, сглобени устройства, нанолекарства и др. По функционализация на частиците, характеристики като стабилност, здравина & Драстично се подобряват твърдостта, разтворимостта, полидисперсията, флуоресценцията, магнетизмът, суперпарамагнетизмът, оптичната абсорбция, високата електронна плътност, фотолуминисценцията и др.
Често срещани частици, които са функционализирани в търговската мрежа с Hielscher’ ултразвуковите системи включват CNT, SWNT, MWNT, графен, графит, силициев диоксид (SiO2), нанодиаманти, магнетит (железен оксид, Fe3O4), сребърни наночастици, златни наночастици, порести & мезопорести наночастици и др.
Щракнете тук, за да видите избрани бележки за приложения за ултразвукова обработка на частици!
Ултразвукови диспергатори
Оборудването за ултразвуково диспергиране на Hielscher се предлага за лабораторно, настолно и промишлено производство. Ултразвуковите апарати на Hielscher са надеждни, здрави, лесни за работа и почистване. Оборудването е проектирано за работа 24/7 при тежки условия. Ултразвуковите системи могат да се използват за партидна и поточна обработка – гъвкав и лесно адаптивен към вашия процес и изисквания.
Ултразвукови партидни и вградени капацитети
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 5 до 200 мл | 50 до 500 мл/мин | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 до 2L | 0.25 до 2м3/час | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 до 10L | 1 до 8м3/час | UIP4000 |
| Н.А. | 4 до 30м3/час | UIP16000 |
| Н.А. | над 30 м3/час | Клъстер от UIP10000 или UIP16000 |
Ултразвуков лабораторен апарат за функционализиране на частици
Литература/Препратки
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Пинджари, Д.В.; Гогейт, П.Р.; Кулками, Р.Д.; Сонауейн, С.Х.; Пандит, А.Б. (2014): “Изследване на ефективността на инхибиране на корозията на ултразвуково приготвен натриево-цинков молибдатен нанопигмент в епоксидно-полиамидно покритие от две опаковки. Композитни интерфейси 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Могаддам, С.Т.; Норузян, М. (2016): Получаване на нови магнитни нанокомпозити от полиуретанова пяна чрез използване на наночастици сърцевина-обвивка. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Толаш, Дж.; Стенгъл, В.; Екорчард, П. (2014): Получаването на композитен материал от графенов оксид-полистирол. 3-та Международна конференция по околна среда, химия и биология. IPCBEE том 78, 2014.
Факти, които си струва да знаете
За композитните материали
Композитните материали (известни също като композиционен материал) се описват като материал, направен от две или повече съставки, които се характеризират със значително различни физични или химични свойства. Когато тези съставни материали се комбинират, нов материал – Така нареченият композит – се произвежда, който показва различни характеристики от отделните компоненти. Отделните компоненти остават отделни и различни в рамките на завършената структура.
Новият материал има по-добри свойства, например е по-здрав, по-лек, по-устойчив или по-евтин в сравнение с конвенционалните материали. Подобренията на нанокомпозитите варират от механични, електрически / проводими, термични, оптични, електрохимични до каталитични свойства.
Типичните инженерни композитни материали включват:
- биокомпозити
- подсилени пластмаси, като полимер, подсилен с влакна
- метални композити
- керамични композити (керамична матрица и метална матрица)
Композитните материали обикновено се използват за изграждане и структуриране на материали като корпуси на лодки, плотове, каросерии на автомобили, вани, резервоари за съхранение, имитация на гранит и култивиран мрамор, както и в космически кораби и самолети.
Композитите могат да използват и метални влакна, подсилващи други метали, като композити с метална матрица (MMC) или композити с керамична матрица (CMC), които включват кост (хидроксиапатит, подсилени с колагенови влакна), металокерамика (керамика и метал) и бетон.
Композитите от органична матрица/керамични агрегати включват асфалтобетон, полимербетон, мастиков асфалт, хибрид с мастиков валяк, стоматологичен композит, синтактична пяна и седеф.
За ултразвуковите ефекти върху частиците
Свойствата на частиците могат да се наблюдават, когато размерът на частиците е намален до определено ниво (известно като критичен размер). Когато размерите на частиците достигнат нанометрово ниво, взаимодействията на фазовите интерфейси се подобряват значително, което е от решаващо значение за подобряване на характеристиките на материалите. По този начин съотношението повърхност : обем на материалите, които се използват за армиране в нанокомпозити, е най-важно. Нанокомпозитите предлагат технологични и икономически предимства за почти всички сектори на промишлеността, включително космическия, автомобилния, електронния, биотехнологичния, фармацевтичния и медицинския сектори. Друго голямо предимство е тяхната екологичност.
Мощният ултразвук подобрява омокряемостта и хомогенизацията между матрицата и частиците чрез интензивното му смесване и диспергиране – Генериран от ултразвукова кавитация. Тъй като ултразвукът е най-широко използваният и най-успешният метод за дисперсия, когато става въпрос за наноматериали, ултразвуковите системи на Hielscher са инсталирани в лаборатория, пилотен завод и производство по целия свят.