Ultrazvučna formulacija ojačanih kompozita
- Kompoziti pokazuju jedinstvena svojstva materijala, kao što su znatno poboljšana termostabilnost, modul elastičnosti, vlačna čvrstoća i lomna čvrstoća, te se stoga široko koriste u proizvodnji raznovrsnih proizvoda.
- Dokazano je da ultrazvučna obrada (sonikacija) proizvodi visokokvalitetne nanokompozite s visoko dispergiranim CNT-ovima, grafenom itd.
- Ultrazvučna oprema za formulaciju ojačanih kompozita dostupna je u industrijskom mjerilu.
Nanokompoziti
Nanokompoziti se ističu svojim mehaničkim, električnim, toplotnim, optičkim, elektrohemijskim i/ili katalitičkim svojstvima.
Zbog izuzetno visokog odnosa površine i zapremine ojačavajuće faze i/ili izuzetno visokog omjera stranica, nanokompoziti su znatno učinkovitiji od konvencionalnih kompozita. Nanočestice poput sferičnog silicijevog dioksida, mineralni listići poput eksfolijiranog grafena ili gline, ili nanovlakna poput ugljičnih nanocijevi ili elektropredenih vlakana često se koriste za ojačanje.
Na primjer, ugljične nanocijevi se dodaju radi poboljšanja električne i toplotne provodljivosti, a nanosilicijev dioksid se koristi za poboljšanje mehaničkih i toplotnih svojstava te otpornosti na vodu. Druge vrste nanočestica daju poboljšana optička svojstva, dielektrična svojstva, otpornost na toplotu ili mehanička svojstva poput krutosti, čvrstoće te otpornosti na koroziju i oštećenja.
Primjeri ultrazvučno formuliranih nanokompozita:
- ugljične nanocijevi (CNT) u matrici od vinil estera
- CNT-ovi / ugljični lukovi / nanodijamanti u metalnoj matrici od nikla
- CNT-ovi u matrici od legure magnezija
- CNT-ovi u matrici od polivinil alkohola (PVA)
- višezidne ugljične nanocijevi (MWCNT) u matrici od epoksidne smole (uz upotrebu metiltetrahidroftalnog anhidrida (MTHPA) kao sredstva za očvršćavanje)
- grafen oksid u matrici od poli(vinil alkohola) (PVA)
- nanočestice SiC u matrici od magnezija
- nanosilicijev dioksid (Aerosil) u matrici od polistirena
- magnetni željezov oksid u fleksibilnoj matrici od poliuretana (PU)
- nikal oksid u grafitu/poli(vinil kloridu)
- nanočestice titanije u matrici od poli(mliječno-ko-glikolne kiseline) (PLGA)
- nanohidroksiapatit u matrici od poli(mliječno-ko-glikolne kiseline) (PLGA)
Ultrazvučna disperzija
Parametri ultrazvučnog procesa mogu se precizno kontrolirati i optimalno prilagoditi sastavu materijala i željenom kvalitetu izlaza. Ultrazvučna disperzija je preporučena tehnika za ugradnju nanočestica, kao što su CNT-ovi ili grafen, u nanokompozite. Budući da je dugo testirana na naučnom nivou i primijenjena u mnogim industrijskim proizvodnim postrojenjima, ultrazvučna disperzija i formulacija nanokompozita je dobro uspostavljena metoda. Dugogodišnje iskustvo kompanije Hielscher u ultrazvučnoj obradi nanomaterijala osigurava stručno savjetovanje, preporuku odgovarajuće ultrazvučne konfiguracije i pomoć tokom razvoja i optimizacije procesa.
Uglavnom se ojačavajuće nanočestice dispergiraju u matricu tokom obrade. Maseni udio (težinski postotak) dodanog nanomaterijala kreće se u nižem rasponu, npr. od 0,5% do 5%, jer ujednačena disperzija postignuta ultrazvučnom obradom omogućava uštedu ojačavajućih punila i veću učinkovitost ojačanja.
Tipična primjena ultrazvuka u proizvodnji je formulacija kompozita nanočestica i smole. Za proizvodnju vinil estera ojačanog CNT-ovima ultrazvučna obrada se koristi za dispergiranje i funkcionalizaciju CNT-ova. Ovi CNT-vinil esteri odlikuju se poboljšanim električnim i mehaničkim svojstvima.
Kliknite ovdje da biste saznali više o dispergiranju CNT-ova!
Grafen
Grafen nudi izuzetna fizička svojstva, visok omjer stranica i malu gustoću. Grafen i grafen oksid ugrađuju se u kompozitnu matricu kako bi se dobili lagani polimeri visoke čvrstoće. Da bi se postiglo mehaničko ojačanje, grafenski listovi / pločice moraju biti vrlo fino dispergirani, jer aglomerirani grafenski listovi drastično ograničavaju efekat ojačanja.
Naučna istraživanja su pokazala da veličina poboljšanja najviše zavisi od stepena disperzije grafenskih listova u matrici. Samo homogeno dispergirani grafen daje željene efekte. Zbog svoje izražene hidrofobnosti i van der Waals privlačenja, grafen ima sklonost agregaciji i aglomeraciji u pahuljice slabo međusobno povezanih jednoslojnih listova.
Dok uobičajene tehnike disperzije često ne mogu proizvesti homogene, neoštećene disperzije grafena, ultrazvučni uređaji velike snage proizvode visokokvalitetne disperzije grafena. Ultrazvučni uređaji kompanije Hielscher obrađuju nepatvoreni grafen, grafen oksid i reducirani grafen oksid, od niskih do visokih koncentracija i od malih do velikih zapremina, bez poteškoća. Uobičajeno korišteno otapalo je N-metil-2-pirolidon (NMP), ali se uz ultrazvuk velike snage grafen može dispergirati čak i u slabim otapalima niske tačke ključanja, kao što su aceton, hloroform, IPA i cikloheksanon.
Kliknite ovdje da biste saznali više o masovnoj eksfolijaciji grafena!
Ugljične nanocijevi i drugi nanomaterijali
Dokazano je da ultrazvuk velike snage daje fine disperzije raznih nanomaterijala, uključujući ugljične nanocijevi (CNT), SWNT, MWNT, fulerene, silicijev dioksid (SiO2), titanijev dioksid (TiO2), srebro (Ag), cink oksid (ZnO), nanofibriliranu celulozu i mnoge druge. Općenito, ultrazvučna obrada nadmašuje konvencionalne disperzere i može postići jedinstvene rezultate.
Osim mljevenja i dispergiranja nanočestica, odlični rezultati postižu se sintezom nanočestica ultrazvučnom precipitacijom (sinteza „odozdo prema gore“). Uočeno je da je veličina čestica, npr. ultrazvučno sintetiziranog magnetita, natrij-cink molibdata i drugih, manja u poređenju s onom dobivenom konvencionalnom metodom. Manja veličina pripisuje se povećanoj brzini nukleacije i boljem obrascu miješanja zbog smicanja i turbulencije koje stvara ultrazvučna kavitacija.
Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučnoj precipitaciji „odozdo prema gore“!
Ultrazvučna funkcionalizacija čestica
Specifična površina čestice raste sa smanjenjem veličine. Posebno u nanotehnologiji, izražavanje karakteristika materijala znatno se pojačava povećanom površinom čestice. Površina se može ultrazvučno povećati i modificirati vezivanjem odgovarajućih funkcionalnih molekula na površinu čestice. Kada je riječ o primjeni i upotrebi nanomaterijala, svojstva površine jednako su važna kao i svojstva jezgre čestice.
Ultrazvučno funkcionalizirane čestice široko se koriste u polimerima, kompozitima & biokompozitima, nanofluidima, sklopljenim uređajima, nanolijekovima itd. Funkcionalizacijom čestica drastično se poboljšavaju karakteristike kao što su stabilnost, čvrstoća & krutost, rastvorljivost, polidisperznost, fluorescencija, magnetizam, superparamagnetizam, optička apsorpcija, velika gustoća elektrona, fotoluminiscencija itd.
Uobičajene čestice koje se komercijalno funkcionaliziraju ultrazvučnim sistemima kompanije Hielscher uključuju CNTs, SWNTs, MWNTs, grafen, grafit, silicijev dioksid (SiO2), nanodijamante, magnetit (željezov oksid, Fe3O4), nanočestice srebra, nanočestice zlata, porozne i mezoporozne nanočestice itd.
Kliknite ovdje da biste vidjeli odabrane bilješke o primjeni ultrazvučne obrade čestica!
Ultrazvučni disperzeri
Ultrazvučna oprema kompanije Hielscher za dispergiranje dostupna je za laboratorijsku, stolnu (bench-top) i industrijsku proizvodnju. Ultrazvučni uređaji kompanije Hielscher su pouzdani, robusni, jednostavni za rukovanje i čišćenje. Oprema je projektirana za rad 24/7 u zahtjevnim uvjetima. Ultrazvučni sistemi mogu se koristiti za šaržnu i inline obradu – fleksibilno i lako prilagodljivo vašem procesu i zahtjevima.
Ultrazvučni kapaciteti za šaržnu i inline obradu
| Zapremina šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 5 do 200mL | 50 do 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 do 2L | 0,25 do 2m3/h | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 do 10L | 1 do 8m3/h | UIP4000 |
| n.a. | 4 do 30m3/h | UIP16000 |
| n.a. | iznad 30m3/h | klaster od UIP10000 ili UIP16000 |
Ultrazvučni laboratorijski uređaj za funkcionalizaciju čestica
Literatura/reference
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Ispitivanje djelotvornosti inhibicije korozije ultrazvučno pripremljenog nanopigmenta natrijevog cinkovog molibdata u dvokomponentnom epoksidno-poliamidnom premazu. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Priprema novih nanokompozita magnetne poliuretanske pjene upotrebom nanočestica sa strukturom jezgra–ljuska. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Priprema kompozitnog materijala grafenov oksid–polistiren. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.
Činjenice vrijedne znanja
O kompozitnim materijalima
Kompozitni materijali (poznati i kao složeni materijali) opisuju se kao materijal izrađen od dvije ili više komponenti koje se odlikuju znatno različitim fizičkim ili hemijskim svojstvima. Kada se te komponente kombiniraju, nastaje novi materijal – takozvani kompozit – koji pokazuje drugačije karakteristike od pojedinačnih komponenti. Pojedinačne komponente ostaju odvojene i zasebne unutar gotove strukture.
Novi materijal ima bolja svojstva, npr. jači je, lakši, otporniji ili jeftiniji u poređenju s konvencionalnim materijalima. Poboljšanja nanokompozita kreću se od mehaničkih, električnih / provodnih, toplotnih, optičkih, elektrohemijskih do katalitičkih svojstava.
Tipični inženjerski kompozitni materijali uključuju:
- biokompozite
- ojačane plastike, kao što je polimer ojačan vlaknima
- metalne kompozite
- keramičke kompozite (kompozit s keramičkom matricom i kompozit s metalnom matricom)
Kompozitni materijali se općenito koriste za građevinske i konstrukcijske materijale kao što su trupovi brodova, radne ploče, karoserije automobila, kade, spremnici, imitacija granita i umivaonici od vještačkog mramora, kao i u svemirskim letjelicama i zrakoplovima.
Kompoziti mogu koristiti i metalna vlakna koja ojačavaju druge metale, kao kod kompozita s metalnom matricom (MMC) ili kompozita s keramičkom matricom (CMC), što uključuje kost (hidroksiapatit ojačan kolagenskim vlaknima), kermet (keramika i metal) i beton.
Kompoziti s organskom matricom i keramičkim agregatom uključuju asfaltni beton, polimerni beton, mastiks asfalt, mastic roller hybrid, dentalni kompozit, sintaktičku pjenu i sedef.
O ultrazvučnim efektima na čestice
Svojstva čestica mogu se uočiti kada se veličina čestice smanji na određeni nivo (poznat kao kritična veličina). Kada dimenzije čestica dosegnu nanometarski nivo, interakcije na međufaznim površinama se u velikoj mjeri poboljšavaju, što je ključno za unapređenje karakteristika materijala. Pritom je odnos površine i zapremine materijala koji se koriste za ojačanje u nanokompozitima najznačajniji. Nanokompoziti nude tehnološke i ekonomske prednosti za gotovo sve sektore industrije, uključujući zrakoplovni, automobilski, elektronski, biotehnološki, farmaceutski i medicinski sektor. Daljnja velika prednost je njihova ekološka prihvatljivost.
Ultrazvuk velike snage poboljšava kvašljivost i homogenizaciju između matrice i čestica svojim intenzivnim miješanjem i dispergiranjem – koje stvara ultrazvučna kavitacija. Budući da je ultrazvučna obrada najšire korištena i najuspješnija metoda disperzije kada je riječ o nanomaterijalima, ultrazvučni sistemi kompanije Hielscher instalirani su u laboratorijima, pilot-postrojenjima i proizvodnji širom svijeta.