Ултразвуково формулиране на армирани композити
- Композитите притежават уникални свойства на материала, като значително повишена термостабилност, модул на еластичност, якост на опън и якост на разрушаване, поради което се използват широко при производството на разнообразни продукти.
- Доказано е, че ултразвуковата обработка позволява получаването на висококачествени нанокомпозити със силно диспергирани CNT, графен и др.
- Ултразвуково оборудване за формулиране на армирани композити се предлага в промишлен мащаб.
Нанокомпозити
Нанокомпозитите се отличават със своите механични, електрически, термични, оптични, електрохимични и/или каталитични свойства.
Благодарение на изключително високото съотношение между повърхностна площ и обем на армиращата фаза и/или изключително високото съотношение между дължина и напречен размер, нанокомпозитите имат значително по-добри експлоатационни характеристики от конвенционалните композити. За армиране често се използват наночастици, като сферичен силициев диоксид, минерални листове, като ексфолиран графен или глина, или нановлакна, като въглеродни нанотръби или електропредени влакна.
Например въглеродните нанотръби се добавят за подобряване на електрическата и топлинната проводимост, а наносилициевият диоксид се използва за подобряване на механичните и термичните свойства и водоустойчивостта. Други видове наночастици подобряват оптичните свойства, диелектричните свойства, топлоустойчивостта или механични свойства, като коравина, якост и устойчивост на корозия и повреди.
Примери за нанокомпозити, формулирани чрез ултразвук:
- въглеродни нанотръби (CNT) във винилестерна матрица
- CNT / въглеродни луковици / нанодиаманти в метална матрица от никел
- CNT в матрица от магнезиева сплав
- CNT в матрица от поливинилов алкохол (PVA)
- многостенна въглеродна нанотръба (MWCNT) в матрица от епоксидна смола (с използване на метилтетрахидрофталов анхидрид (MTHPA) като втвърдител)
- графенов оксид в матрица от поли(винилов алкохол) (PVA)
- наночастици SiC в магнезиева матрица
- наносилициев диоксид (Aerosil) в полистиренова матрица
- магнитен железен оксид в гъвкава полиуретанова (PU) матрица
- никелов оксид в графит/поли(винилхлорид)
- наночастици титанов диоксид в матрица от съполимер на млечна и гликолова киселина (PLGA)
- нанохидроксиапатит в матрица от съполимер на млечна и гликолова киселина (PLGA)
Ултразвуково диспергиране
Параметрите на ултразвуковия процес могат да се контролират прецизно и да се адаптират оптимално към състава на материала и желаното качество на крайния продукт. Ултразвуковото диспергиране е препоръчваната техника за включване на наночастици, като CNT или графен, в нанокомпозити. Изпитвани продължително в научни изследвания и внедрени в много промишлени производствени предприятия, ултразвуковото диспергиране и формулирането на нанокомпозити са утвърден метод. Дългогодишният опит на Hielscher в ултразвуковата обработка на наноматериали осигурява задълбочени консултации, препоръка за подходяща ултразвукова система и съдействие при разработването и оптимизирането на процеса.
В повечето случаи армиращите наночастици се диспергират в матрицата по време на обработката. Масовият процент (масовата част) на добавения наноматериал е в ниския диапазон, например от 0,5% до 5%, тъй като равномерното диспергиране, постигнато чрез ултразвукова обработка, позволява намаляване на количеството армиращи пълнители и по-висока ефективност на армирането.
Типично приложение на ултразвука в производството е формулирането на композит от наночастици и смола. За получаване на винилестер, армиран с CNT, се използва ултразвукова обработка за диспергиране и функционализиране на CNT. Тези винилестерни композити с CNT се характеризират с подобрени електрически и механични свойства.
Щракнете тук, за да прочетете повече за диспергирането на CNT!
Графен
Графенът притежава изключителни физични свойства, високо съотношение между дължина и напречен размер и ниска плътност. Графенът и графеновият оксид се включват в композитна матрица за получаване на леки полимери с висока якост. За постигане на механичното армиране графеновите листове / пластинки трябва да бъдат много фино диспергирани, тъй като агломерираните графенови листове драстично ограничават армиращия ефект.
Научните изследвания показват, че степента на подобрение зависи предимно от степента на диспергиране на графеновите листове в матрицата. Само хомогенно диспергираният графен дава желаните ефекти. Поради силната си хидрофобност и привличането чрез силите на Ван дер Ваалс графенът е склонен да образува агрегати и агломерати под формата на люспи от слабо взаимодействащи еднослойни листове.
Докато обичайните техники за диспергиране често не могат да получат хомогенни графенови дисперсии без увреждане на графена, ултразвуковите устройства с висока мощност произвеждат висококачествени графенови дисперсии. Ултразвуковите устройства на Hielscher обработват без затруднения немодифициран графен, графенов оксид и редуциран графенов оксид при концентрации от ниски до високи и при обеми от малки до големи. Често използван разтворител е N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), но с ултразвук с висока мощност графенът може да бъде диспергиран дори в слаби разтворители с ниска температура на кипене, като ацетон, хлороформ, IPA и циклохексанон.
Щракнете тук, за да прочетете повече за ексфолирането на графен в големи количества!
Въглеродни нанотръби и други наноматериали
Доказано е, че мощният ултразвук позволява получаване на дисперсии с фини частици от 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 ултразвуковата обработка превъзхожда конвенционалните диспергатори и може да постигне уникални резултати.
Освен при смилане и диспергиране на наночастици, отлични резултати се постигат и при синтезиране на наночастици чрез ултразвуково утаяване (синтез по подхода „отдолу нагоре“). Наблюдавано е, че размерът на частиците, например на магнетит, натриево-цинков молибдат и други вещества, синтезирани чрез ултразвук, е по-малък в сравнение с този, получен чрез конвенционалния метод. По-малкият размер се обяснява с повишената скорост на зародишообразуване и по-добрите условия на смесване вследствие на срязването и турбулентността, генерирани от ултразвуковата кавитация.
Щракнете тук, за да научите повече за ултразвуковото утаяване по подхода „отдолу нагоре“!
Ултразвуково функционализиране на частици
Специфичната повърхностна площ на една частица се увеличава с намаляването на размера ѝ. Особено в нанотехнологиите проявлението на характеристиките на материала се засилва значително вследствие на увеличената повърхностна площ на частицата. Повърхностната площ може да бъде увеличена и модифицирана чрез ултразвук посредством прикрепване на подходящи функционални молекули към повърхността на частицата. По отношение на приложението и използването на наноматериали свойствата на повърхността са също толкова важни, колкото свойствата на ядрото на частицата.
Ултразвуково функционализираните частици се използват широко в полимери, композити и биокомпозити, нанофлуиди, сглобени устройства, нанолекарства и др. Чрез функционализиране на частиците драстично се подобряват характеристики, като стабилност, якост и коравина, разтворимост, полидисперсност, флуоресценция, магнетизъм, суперпарамагнетизъм, оптична абсорбция, висока електронна плътност, фотолуминесценция и др.
Често срещани частици, които се функционализират в промишлени приложения с ултразвуковите системи на Hielscher, включват CNT, SWNT, MWNT, графен, графит, силициев диоксид (SiO2), нанодиаманти, магнетит (железен оксид, Fe3O4), сребърни наночастици, златни наночастици, порести и мезопорести наночастици и др.
Щракнете тук, за да видите избрани приложни бележки за ултразвукова обработка на частици!
Ултразвукови диспергатори
Ултразвуковото диспергиращо оборудване на Hielscher се предлага за лабораторна работа, настолни приложения и промишлено производство. Ултразвуковите устройства на Hielscher са надеждни, здрави, лесни за работа и почистване. Оборудването е проектирано за работа 24/7 при тежки експлоатационни условия. Ултразвуковите системи могат да се използват за периодична и поточна обработка – те са гъвкави и лесно се адаптират към вашия процес и изисквания.
Капацитети за периодична и поточна ултразвукова обработка
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчвани устройства |
|---|---|---|
| 5 до 200mL | 50 до 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 до 2L | 0,25 до 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 до 10L | 1 до 8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 до 30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | над 30m3/hr | група от UIP10000 или UIP16000 |
Ултразвуково лабораторно устройство за функционализиране на частици
Литература/Източници
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): „Изследване на ефективността на инхибиране на корозията с ултразвуково получен нанопигмент от натриево-цинков молибдат в двукомпонентно епоксидно-полиамидно покритие. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833–852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Получаване на нови магнитни нанокомпозити от полиуретанова пяна чрез използване на наночастици със структура ядро–обвивка. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Получаване на композитен материал от графенов оксид–полистирен. 3-та международна конференция по околна среда, химия и биология. IPCBEE vol.78, 2014.
Полезни факти
За композитните материали
Композитните материали (известни също като композиционни материали) се описват като материали, съставени от два или повече компонента, които се характеризират със значително различни физични или химични свойства. Когато тези съставни материали се комбинират, се получава нов материал – така нареченият композит – който проявява характеристики, различни от тези на отделните компоненти. Отделните компоненти остават обособени и различими в завършената структура.
Новият материал има по-добри свойства, например той е по-здрав, по-лек, по-устойчив или по-евтин в сравнение с конвенционалните материали. Подобренията при нанокомпозитите обхващат механични, електрически / проводими, термични, оптични, електрохимични и каталитични свойства.
Типичните инженерно разработени композитни материали включват:
- биокомпозити
- армирани пластмаси, като полимер, армиран с влакна
- метални композити
- керамични композити (композит с керамична матрица и композит с метална матрица)
Композитните материали обикновено се използват като строителни и конструкционни материали, например за корпуси на лодки, плотове, автомобилни каросерии, вани, резервоари за съхранение, имитация на гранит и мивки от изкуствен мрамор, както и в космически апарати и самолети.
В композитите могат също да се използват метални влакна, които армират други метали, както при композитите с метална матрица (MMC) или композитите с керамична матрица (CMC), които включват кост (хидроксиапатит, армиран с колагенови влакна), кермет (керамика и метал) и бетон.
Композитите с органична матрица/керамичен агрегат включват асфалтобетон, полимербетон, мастичен асфалт, mastic roller hybrid, дентален композит, синтактична пяна и седеф.
За ултразвуковите въздействия върху частиците
Свойствата на частиците могат да се наблюдават, когато размерът им се намали до определено ниво (известно като критичен размер). Когато размерите на частиците достигнат нанометрово ниво, взаимодействията на границите между фазите се подобряват значително, което е от решаващо значение за подобряване на характеристиките на материалите. При това съотношението повърхностна площ : обем на материалите, използвани за армиране на нанокомпозити, е от най-голямо значение. Нанокомпозитите предлагат технологични и икономически предимства за почти всички сектори на промишлеността, включително аерокосмическия, автомобилния, електронния, биотехнологичния, фармацевтичния и медицинския сектор. Друго голямо предимство е тяхната екологичност.
Мощният ултразвук подобрява омокряемостта и хомогенизирането между матрицата и частиците чрез интензивното си смесващо и диспергиращо действие – породено от ултразвукова кавитация. Тъй като ултразвуковата обработка е най-широко използваният и най-успешният метод за диспергиране на наноматериали, ултразвуковите системи на Hielscher са инсталирани в лаборатории, пилотни инсталации и производствени предприятия по целия свят.