Ултразвуково получаване на подсилен каучук
- Подсилените каучуци показват по-висока якост на опън, удължение, устойчивост на абразивно износване и по-добра устойчивост на стареене.
- Пълнители като технически въглерод (напр. CNTs, MWNTs), графен или силициев диоксид трябва да бъдат хомогенно диспергирани в матрицата, за да осигурят желаните свойства на материала.
- Мощният ултразвук осигурява превъзходно качество на разпределение на монодисперсни наночастици със силно подсилващи свойства.
Ултразвуково диспергиране
Ултразвуковата обработка се използва широко за диспергиране на наноматериали като монодисперсни наночастици и нанотръби, тъй като ултразвукът значително подобрява разделянето и функционализирането на частиците и тръбите.
Оборудването за ултразвуково диспергиране създава кавитация и големи сили на срязване за разрушаване, деагломерация, разплитане и диспергиране на наночастици и нанотръби. Интензитетът на ултразвуковата обработка може да бъде прецизно регулиран и контролиран, така че параметрите на обработката да бъдат напълно адаптирани, като се вземат предвид концентрацията, агломерацията и ориентацията/заплитането на наноматериала. По този начин наноматериалите могат да бъдат оптимално обработени съобразно специфичните изисквания към съответния материал. Оптималните условия за диспергиране, постигнати чрез индивидуално регулирани параметри на ултразвуковия процес, водят до висококачествен краен каучуков нанокомпозит с превъзходни подсилващи характеристики на нанодобавките и нанопълнителите.
Благодарение на превъзходното качество на ултразвуковото диспергиране и постигнатото по този начин равномерно разпределение, много ниско съдържание на пълнител е достатъчно за получаване на отлични характеристики на материала.
Промишлена ултразвукова система
Каучук, подсилен с технически въглерод чрез ултразвукова обработка
Техническият въглерод е един от най-важните пълнители в каучуците, особено за гуми, като придава на каучуковия материал устойчивост на абразивно износване и якост на опън. Частиците на техническия въглерод имат силна склонност да образуват агрегати, които трудно се диспергират хомогенно. Техническият въглерод се използва често в бои, емайли, печатарски мастила, оцветители за найлон и пластмаси, латексови смеси, восъчни смеси, фотографски покрития и други.
Ултразвуковото диспергиране позволява деагломерация и равномерно смесване при много висока монодисперсност на частиците.
Щракнете тук, за да научите повече за ултразвуковото диспергиране за подсилени композити!
Каучук, подсилен с CNT / MWCNT чрез ултразвукова обработка
Ултразвуковите хомогенизатори са мощни диспергиращи системи, които могат да бъдат прецизно управлявани и адаптирани към изискванията на процеса и материала. Прецизният контрол на параметрите на ултразвуковия процес е особено важен при диспергирането на нанотръби като MWNTs или SWNTs, тъй като нанотръбите трябва да бъдат разплетени до отделни тръби, без да бъдат повредени (напр. чрез разкъсване). Неповредените нанотръби имат високо съотношение между дължина и диаметър (до 132 000 000:1), така че при включване в композит му придават изключителна якост и коравина. Мощната, прецизно регулирана ултразвукова обработка преодолява силите на Ван дер Ваалс и диспергира и разплита нанотръбите, което води до каучуков материал с високи експлоатационни характеристики, изключителна якост на опън и модул на еластичност.
Освен това ултразвуковото функционализиране се използва за модифициране на въглеродни нанотръби с цел постигане на желани свойства, които могат да бъдат използвани в разнообразни приложения.
Ултразвукови апарати за непрекъснато диспергиране на наноматериали, технически въглерод или активен въглен.
Каучук, подсилен с наносилициев диоксид чрез ултразвукова обработка
Ултразвуковите диспергатори осигуряват много равномерно разпределение на наночастици силициев диоксид (SiO2) в разтвори на каучукови полимери. Наночастиците силициев диоксид (SiO2) трябва да бъдат хомогенно разпределени като монодисперсни частици в полимеризиран стирен-бутадиен и други каучуци. Монодисперсният нано-SiO2 действа като подсилващ агент, който значително подобрява жилавостта, якостта, удължението, характеристиките при огъване и устойчивостта на стареене. За наночастиците важи следното: колкото по-малък е размерът на частиците, толкова по-голяма е тяхната специфична повърхност. При по-високо съотношение повърхност/обем (S/V) се получават по-добри структурни и подсилващи ефекти, което увеличава якостта на опън и твърдостта на гумените изделия.
Ултразвуковото диспергиране на наночастици силициев диоксид позволява точен контрол на параметрите на процеса, така че да се получат сферична морфология, прецизно регулиран размер на частиците и много тясно разпределение по размер.
Ултразвуково диспергираният силициев диоксид осигурява най-високи експлоатационни характеристики на подсиления по този начин каучук.
Щракнете тук, за да научите повече за ултразвуковото диспергиране на SiO2!
Ултразвуково диспергиране на подсилващи добавки
Доказано е, че ултразвуковата обработка диспергира много други материали от наночастици за подобряване на модула на еластичност, якостта на опън и уморните характеристики на каучуковите композити. Тъй като размерът, формата, повърхността и повърхностната активност на частиците на пълнителите и подсилващите добавки са решаващи за тяхната ефективност, мощните и надеждни ултразвукови диспергатори са един от най-често използваните методи за включване на частици с микро- и наноразмери в гумени изделия.
Типични добавки и пълнители, които се включват чрез ултразвукова обработка като равномерно разпределени или монодисперсни частици в каучукови матрици, са калциев карбонат, каолинова глина, пирогенен силициев диоксид, утаен силициев диоксид, графитен оксид, графен, слюда, талк, барит, воластонит, утаени силикати, пирогенен силициев диоксид и диатомит.
Когато функционализирани с олеинова киселина наночастици TiO2 се диспергират ултразвуково в стирен-бутадиенов каучук, дори много малко количество олеат-SiO2 води до значително подобряване на модула на еластичност, якостта на опън и уморните характеристики и действа като защитен агент срещу фото- и термична деградация.
- Трихидрат на алуминиевия оксид (Al2O3) се добавя като забавител на горенето, за подобряване на топлопроводността и за устойчивост на образуване на проводящи следи и ерозия.
- Пълнителите от цинков оксид (ZnO) увеличават относителната диелектрична проницаемост, както и топлопроводността.
- Титановият диоксид (TiO2) подобрява топлопроводността и електропроводността.
- Калциевият карбонат (CaCO3) се използва като добавка поради своите механични, реологични и забавящи горенето свойства.
- Бариевият титанат (BaTiO3) увеличава термичната стабилност.
- Графенът и графеновият оксид (GO) придават превъзходни механични, електрически, термични и оптични характеристики на материала.
- Въглеродните нанотръби (CNTs) значително подобряват механични свойства като якостта на опън, електропроводността и топлопроводността.
- Многостенните въглеродни нанотръби (MWNTs) подобряват модула на Юнг и границата на провлачване. Например само 1 wt.% MWNTs в епоксидна смола води до увеличение на модула на Юнг и границата на провлачване съответно със 100% и 200% спрямо чистата матрица.
- Едностенните въглеродни нанотръби (SWNTs) подобряват механичните свойства и топлопроводността.
- Въглеродните нановлакна (CNF) придават якост, топлоустойчивост и дълготрайност.
- Метални наночастици като никел, желязо, мед, цинк, алуминий и сребро се добавят за подобряване на електропроводността и топлопроводността.
- Органични наноматериали като монтморилонит подобряват механичните свойства и свойствата за забавяне на горенето.
Системи за ултразвуково диспергиране
Hielscher Ultrasonics предлага широка продуктова гама ултразвуково оборудване – от по-малки настолни системи за изпитване на осъществимостта до предназначени за тежки натоварвания промишлени ултразвукови апарати с мощност до 16kW на апарат. Мощността, надеждността, възможността за прецизно управление и здравината превръщат системите за ултразвуково диспергиране на Hielscher в „работния кон“ на производствената линия за състави с микро- и наночастици. Нашите ултразвукови апарати могат да обработват с лекота водни дисперсии и дисперсии на основата на разтворители дори при висок вискозитет (до 10 000cp) . Различни сонотроди (ултразвукови рогове), бустери (усилватели/намалители на амплитудата), геометрии на проточните клетки и други принадлежности позволяват оптимално адаптиране на ултразвуковия диспергатор към продукта и изискванията на неговия процес.
Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да осигурят много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат да бъдат прилагани непрекъснато в режим 24/7 без забавяне. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява 24/7 работа при тежки натоварвания и в среда с високи изисквания. Ултразвуковите диспергатори на Hielscher са инсталирани по целия свят за мащабно промишлено производство.
Ултразвукова инсталация по поръчка за нанодисперсии
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | по-голям | група от UIP16000 |
Литература / Източници
- Bitenieks, Juris; Meria, Remo Merijs; Zicans, Janis; Maksimovs, Roberts; Vasilec, Cornelia; Musteata, Valentina Elena (2012): Styrene–acrylate/carbon nanotube nanocomposites: mechanical, thermal, and electrical properties. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 2012, 61, 3, 172–177.
- Kaboorani, Alireza; Riedl, Bernard; Blanchet, Pierre (2013): Ultrasonication Technique: A Method for Dispersing Nanoclay in Wood Adhesives. Journal of Nanomaterials 2013.
- Momen, G.; Farzaneh, M. (2011): Survey of Micro/Nano Filler Use to improve Silicone Rubber For Outdoor Insulators. Review of Advanced Materials Science 27, 2011. 1-3.
- Sharma, S.D.; Singh, S. (2013): Synthesis and Characterization of Highly Effective Nano Sulfated Zirconia over Silica: Core-Shell Catalyst by Ultrasonic Irradiation. American Journal of Chemistry 2013, 3(4): 96-104.
Полезни факти
Синтетичен каучук
Синтетичен каучук е всеки изкуствен еластомер. Синтетичните каучуци са предимно полимери, синтезирани от странични продукти на нефта, и подобно на други полимери се произвеждат от различни мономери на нефтена основа. Най-разпространеният синтетичен каучук е стирен-бутадиеновият каучук (SBR), получен чрез съполимеризация на стирен и 1,3-butadiene. Други синтетични каучуци се получават от изопрен (2-methyl-1,3-butadiene), хлоропрен (2-chloro-1,3-butadiene) и изобутилен (метилпропен) с малък процент изопрен за омрежване. Тези и други мономери могат да бъдат смесвани в различни пропорции и съполимеризирани за получаване на продукти с разнообразни физични, механични и химични свойства. Мономерите могат да бъдат произведени в чист вид, а добавянето на примеси или добавки може да бъде целенасочено контролирано за постигане на оптимални свойства. Полимеризацията на чисти мономери може да бъде по-добре контролирана за получаване на желано съотношение между cis и trans двойните връзки.
Синтетичният каучук, подобно на естествения каучук, се използва широко в автомобилната промишленост за гуми, профили за врати и прозорци, маркучи, ремъци, постелки и подови настилки.
Естествен каучук
Естественият каучук е известен също като индийски каучук или каучук. Естественият каучук се класифицира като еластомер и се състои главно от полимери на органичното съединение поли-cis-изопрен и вода. Той съдържа следи от примеси като белтъци, замърсявания и др. Естественият каучук, който се получава като латекс от каучуковото дърво Hevea Brasiliensis, показва отлични механични свойства. В сравнение със синтетичните каучуци обаче естественият каучук има по-ниски експлоатационни характеристики, особено по отношение на термичната си стабилност и съвместимостта си с нефтопродукти. Естественият каучук има широк спектър от приложения, самостоятелно или в комбинация с други материали. Използва се предимно поради голямата си степен на разтягане, високата си еластична възстановимост и изключително високата си водонепропускливост. Температурата на топене на каучука е приблизително 180°C (356°F).
Таблицата по-долу представя различните видове каучук:
| ISO | Техническо наименование | Общоприето наименование |
|---|---|---|
| ACM | Полиакрилатен каучук | |
| AEM | Етилен-акрилатен каучук | |
| AU | Полиестеруретан | |
| BIIR | Бромиран изобутилен-изопрен | Бромбутил |
| BR | Полибутадиен | Buna CB |
| CIIR | Хлориран изобутилен-изопрен | Хлорбутил, бутил |
| CR | Полихлоропрен | Хлоропрен, Neoprene |
| CSM | Хлорсулфониран полиетилен | Hypalon |
| ECO | Епихлорхидрин | ECO, епихлорхидрин, Epichlore, Epichloridrine, Herclor, Hydrin |
| EP | Етилен-пропилен | |
| EPDM | Етилен-пропилен-диенов мономер | EPDM, Nordel |
| EU | Полиетеруретан | |
| FFKM | Перфлуоровъглероден каучук | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Флуориран въглеводород | Viton, Fluorel |
| FMQ | Флуоросиликон | FMQ, силиконов каучук |
| FPM | Флуоровъглероден каучук | |
| HNBR | Хидрогениран нитрил-бутадиен | HNBR |
| IR | Полиизопрен | (Синтетичен) естествен каучук |
| IIR | Изобутилен-изопренов бутил | Бутил |
| NBR | Акрилонитрил-бутадиен | NBR, нитрил, Perbunan, Buna-N |
| PU | Полиуретан | PU, полиуретан |
| SBR | Стирен-бутадиен | SBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE |
| SEBS | Стирен-етилен-бутилен-стиренов съполимер | SEBS каучук |
| SI | Полисилоксан | Силиконов каучук |
| VMQ | Винилметилсиликон | Силиконов каучук |
| XNBR | Акрилонитрил-бутадиен-карбоксилен мономер | XNBR, карбоксилиран нитрил |
| XSBR | Стирен-бутадиен-карбоксилен мономер | |
| YBPO | Термопластичен полиетер-естер | |
| YSBR | Стирен-бутадиенов блоксъполимер | |
| YXSBR | Стирен-бутадиен-карбоксилен блоксъполимер |
SBR
Стирен-бутадиен или стирен-бутадиенов каучук (SBR) обозначава синтетични каучуци, получени от стирен и бутадиен. Подсиленият стирен-бутадиен се характеризира с висока устойчивост на абразивно износване и добри свойства срещу стареене. Съотношението между стирен и бутадиен определя свойствата на полимера: при високо съдържание на стирен каучуците стават по-твърди и по-малко каучукоподобни.
Ограниченията на неподсиления SBR се дължат на ниската му якост без подсилване, ниската еластична възстановимост, ниската якост на раздиране (особено при високи температури) и слабата лепкавост. Затова са необходими подсилващи агенти и пълнители за подобряване на свойствата на SBR. Например пълнители от технически въглерод се използват за значително увеличаване на якостта и устойчивостта на абразивно износване.
Стирен
Стиренът (C8H8) е известен под различни наименования като етенилбензен, винилбензен, фенилетен, фенилетилен, цинамен, стирол, diarex HF 77, стиролен и стиропол. Той е органично съединение с химична формула C6H5CH=CH2. Стиренът е прекурсор на полистирена и няколко съполимера.
Той е производно на бензена и представлява безцветна масловидна течност, която лесно се изпарява. Стиренът има сладникава миризма, която при високи концентрации става по-малко приятна.
В присъствието на винилова група стиренът образува полимер. Полимерите на основата на стирен се произвеждат промишлено за получаване на продукти като полистирен, ABS, стирен-бутадиенов каучук (SBR), стирен-бутадиенов латекс, SIS (стирен-изопрен-стирен), S-EB-S (стирен-етилен/бутилен-стирен), стирен-дивинилбензен (S-DVB), стирен-акрилонитрилна смола (SAN) и ненаситени полиестери, използвани в смоли и термореактивни състави. Тези материали са важни компоненти за производството на каучук, пластмаси, изолация, стъклопласт, тръби, части за автомобили и лодки, съдове за храна и основи за килими.
Приложения на каучука
Каучукът има много характеристики като якост, дълъг експлоатационен живот, водоустойчивост и топлоустойчивост. Тези свойства го правят много универсален материал, използван в множество промишлени отрасли. Основното приложение на каучука е в автомобилната промишленост, главно за производство на гуми. Допълнителни характеристики като нехлъзгавост, мекота, дълготрайност и еластична възстановимост правят каучука широко използван композит за производство на обувки, подови настилки, медицински и здравни принадлежности, домакински продукти, играчки, спортни артикули и много други гумени изделия.
Нанодобавки и пълнители
Пълнителите и добавките с наноразмери в каучуците действат като подсилващи и защитни агенти за подобряване на якостта на опън, устойчивостта на абразивно износване, устойчивостта на раздиране и хистерезиса, както и за защита срещу фото- и термична деградация на каучука.
Силициев диоксид
Силициевият диоксид (SiO2, силициев двуокис) се използва в много форми, например аморфен силициев диоксид, включително пирогенен силициев диоксид, силициев микропрах и утаен силициев диоксид, за подобряване на характеристиките на материала по отношение на динамичните механични свойства, устойчивостта на термично стареене и морфологията. Съставите с пълнител от силициев диоксид показват увеличаване на вискозитета и плътността на омрежване с увеличаване на съдържанието на пълнител. Твърдостта, модулът на еластичност, якостта на опън и характеристиките на износване се подобряват прогресивно с увеличаване на количеството пълнител от силициев диоксид.
Технически въглерод
Техническият въглерод е форма на паракристален въглерод с хемосорбирани кислородни комплекси (като карбоксилни, хинонови, лактонни, фенолни групи и други), свързани с повърхността му. Тези повърхностни кислородни групи обикновено се обединяват под термина „летливи комплекси“. Поради това съдържание на летливи компоненти техническият въглерод е непроводящ материал. Частиците технически въглерод, функционализирани с въглеродно-кислородни комплекси, се диспергират по-лесно.
Високото съотношение между повърхност и обем на техническия въглерод го прави широко използван подсилващ пълнител. Почти всички гумени изделия, за които якостта на опън и устойчивостта на абразивно износване са съществени, използват технически въглерод. Утаен или пирогенен силициев диоксид се използва като заместител на техническия въглерод, когато е необходимо подсилване на каучука, но черният цвят трябва да се избегне. Пълнителите на основата на силициев диоксид обаче увеличават пазарния си дял и при автомобилните гуми, тъй като използването им води до по-ниски загуби при търкаляне в сравнение с гумите с пълнител от технически въглерод.
Таблицата по-долу представя видовете технически въглерод, използвани в гуми
| Наименование | Съкр. | ASTM | Размер на частиците nm | Якост на опън MPa | Относително абразивно износване при лабораторни изпитвания | Относително абразивно износване при движение по пътя |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Пещен технически въглерод със свръхвисока устойчивост на абразивно износване | SAF | N110 | 20–25 | 25,2 | 1,35 | 1,25 |
| Междинен SAF | ISAF | N220 | 24–33 | 23,1 | 1,25 | 1,15 |
| Пещен технически въглерод с висока устойчивост на абразивно износване | HAF | N330 | 28–36 | 22,4 | 1,00 | 1,00 |
| Канален технически въглерод за лесна преработка | EPC | N300 | 30–35 | 21,7 | 0,80 | 0,90 |
| Пещен технически въглерод за бързо екструдиране | FEF | N550 | 39–55 | 18,2 | 0,64 | 0,72 |
| Пещен технически въглерод за висок модул на еластичност | HMF | N660 | 49–73 | 16,1 | 0,56 | 0,66 |
| Полуподсилващ пещен технически въглерод | SRF | N770 | 70–96 | 14,7 | 0,48 | 0,60 |
| Фин термичен технически въглерод | FT | N880 | 180–200 | 12,6 | 0,22 | – |
| Среден термичен технически въглерод | MT | N990 | 250–350 | 9,8 | 0,18 | – |
Графенов оксид
Графеновият оксид, диспергиран в SBR, осигурява висока якост на опън и якост на раздиране, както и изключителна устойчивост на износване и ниско съпротивление при търкаляне, които са важни свойства на материала за производството на гуми. SBR, подсилен с графенов оксид и силициев диоксид, предлага конкурентна алтернатива за екологосъобразно производство на гуми, както и за производство на каучукови композити с високи експлоатационни характеристики. Графенът и графеновият оксид могат да бъдат успешно, надеждно и лесно ексфолирани чрез ултразвукова обработка. Щракнете тук, за да научите повече за ултразвуковото получаване на графен!