Ultrazvučna formulacija ojačanih kompozita
- Kompoziti pokazuju jedinstvena svojstva materijala kao što su značajno poboljšana termo-stabilnost, modul elastičnosti, vlačna čvrstoća, čvrstoća na lom i stoga se široko koriste u proizvodnji višestrukih proizvoda.
- Dokazano je da ultrazvuk proizvodi visokokvalitetne nanokompozite s visoko dispergiranim CNT-ima, grafenom itd.
- Ultrazvučna oprema za formulaciju ojačanih kompozita dostupna je u industrijskom obimu.
nanokompoziti
Nanokompoziti se ističu svojim mehaničkim, električnim, termičkim, optičkim, elektrohemijskim i/ili katalitičkim svojstvima.
Zbog svog izuzetno visokog omjera površine i volumena ojačavajuće faze i/ili njihovog izuzetno visokog omjera širine i visine, nanokompoziti su znatno učinkovitiji od konvencionalnih kompozita. Nano čestice kao što je sferični silicijum dioksid, mineralni listovi kao što su eksfolirani grafen ili glina, ili nano vlakna kao što su ugljenične nanocevi ili elektrosprenovana vlakna često se koriste za pojačanje.
Na primjer, ugljične nanocijevi se dodaju za poboljšanje električne i toplinske provodljivosti, nano silicijum se koristi za poboljšanje mehaničkih, toplinskih i vodootpornih svojstava. Druge vrste nanočestica daju poboljšana optička svojstva, dielektrična svojstva, otpornost na toplinu ili mehanička svojstva kao što su krutost, čvrstoća i otpornost na koroziju i oštećenja.
Primjeri za ultrazvučno formulirane nanokompozite:
- ugljične nanocijevi (CNT) u vinil esterskoj matrici
- CNT/ugljični luk/nano dijamanti u matrici metala nikla
- CNT u matrici od legure magnezijuma
- CNT u matrici od polivinil alkohola (PVA).
- višezidne ugljične nanocijevke (MWCNT) u matrici od epoksidne smole (koristeći metil tetrahidroftalni anhidrid (MTHPA) kao sredstvo za očvršćavanje)
- grafen oksid u matrici od poli(vinil alkohola) (PVA).
- SiC nanočestice u matrici magnezijuma
- nano silicijum (Aerosil) u polistirenskoj matrici
- magnetni željezni oksid u fleksibilnoj poliuretanskoj (PU) matrici
- nikl oksid u grafitu/poli(vinil hloridu)
- nanočestice titanije u matrici poli-mliječne-ko-glikolne kiseline (PLGA)
- nano hidroksiapatit u matrici poli-mliječne-ko-glikolne kiseline (PLGA)
Ultrazvučna disperzija
Parametri ultrazvučnog procesa mogu se precizno kontrolisati i optimalno prilagoditi sastavu materijala i željenoj kvaliteti izlaza. Ultrazvučna disperzija je preporučena tehnika za ugradnju nanočestica kao što su CNT ili grafen u nanokompozite. Dugogodišnje testiranje na naučnom nivou i implementirano u mnogim industrijskim proizvodnim pogonima, ultrazvučna disperzija i formulacija nanokompozita je dobro uspostavljena metoda. Hielscherovo dugo iskustvo u ultrazvučnoj obradi nano materijala osigurava temeljno savjetovanje, preporuku odgovarajućeg ultrazvučnog podešavanja i pomoć tokom razvoja i optimizacije procesa.
Uglavnom se ojačavajuće nano čestice raspršuju u matricu tokom obrade. Procenat težine (maseni udio) dodanog nano materijala u rasponu je na nižoj skali, npr. 0,5% do 5%, budući da ujednačena disperzija postignuta ultrazvukom omogućava uštedu punila za ojačavanje i veće performanse armature.
Tipična primjena ultrazvuka u proizvodnji je formulacija kompozita nanočestica-smola. Za proizvodnju vinil estera ojačanog CNT-om, sonikacija se koristi za raspršivanje i funkcionalizaciju CNT-a. Ove CNT-vinil estere karakterišu poboljšana električna i mehanička svojstva.
Kliknite ovdje da pročitate više o disperziji CNT-a!
grafen
Grafen nudi izuzetna fizička svojstva, visok omjer stranica i nisku gustinu. Grafen i grafen oksid su integrirani u kompozitnu matricu kako bi se dobili lagani polimeri visoke čvrstoće. Da bi se postiglo mehaničko ojačanje, grafenski listovi / trombociti moraju biti vrlo fino dispergirani, jer aglomerirani grafenski listovi drastično ograničavaju učinak pojačanja.
Naučno istraživanje je pokazalo da veličina poboljšanja uglavnom zavisi od stepena disperzije grafenskih listova u matrici. Samo homogeno dispergovan grafen daje željene efekte. Zbog svoje jake hidrofobnosti i van der Waalsove privlačnosti, grafen je sklon agregaciji i aglomeraciji u ljuspice jednoslojnih ploča koje slabo djeluju.
Dok uobičajene tehnike disperzije često ne mogu proizvesti homogene, neoštećene disperzije grafena, ultrazvučni aparati velike snage proizvode visokokvalitetne disperzije grafena. Hielscherovi ultrasonikatori bez problema rukuju netaknutim grafenom, grafen oksidom i reduciranim grafen oksidom od niske do visoke koncentracije i od malih do velikih količina. Često korišteni rastvarač je N-metil-2-pirolidon (NMP), ali uz ultrazvuk velike snage, grafen se može čak i dispergovati u otapalima sa niskim temperaturama ključanja kao što su aceton, hloroform, IPA i cikloheksanon.
Kliknite ovdje da pročitate više o bulk pilingu grafena!
Ugljične nanocijevi i drugi nano materijali
Dokazano je da moćni ultrazvuk rezultira finim disperzijama različitih nano materijala uključujući ugljične nanocijevi (CNT), SWNT, MWNT, fulerene, silicijum dioksid (SiO2), titanijum dioksid (TiO2), srebro (Ag), cink oksid (ZnO), nanofibrilirana celuloza i mnoge druge. Općenito, ultrazvuk nadmašuje konvencionalne disperzere i može postići jedinstvene rezultate.
Osim mljevenja i dispergiranja nanočestica, odlični rezultati se postižu sintezom nanočestica ultrazvučnom precipitacijom (sinteza odozdo prema gore). Uočeno je da je veličina čestica, npr. ultrazvučno sintetizovanog magnetita, natrijum-cink molibdata i drugih, manja u poređenju sa onom dobijenom konvencionalnom metodom. Manja veličina se pripisuje poboljšanoj brzini nukleacije i boljim obrascima miješanja zbog smicanja i turbulencije koje stvara ultrazvučna kavitacija.
Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnim padavinama odozdo prema gore!
Ultrazvučna funkcionalizacija čestica
Specifična površina čestice se povećava sa smanjenjem veličine. Posebno u nanotehnologiji, ekspresija karakteristika materijala je značajno povećana povećanjem površine čestice. Površina se može ultrazvučno povećati i modificirati pričvršćivanjem odgovarajućih funkcionalnih molekula na površinu čestice. Što se tiče primjene i upotrebe nano materijala, svojstva površine su jednako važna kao i svojstva jezgra čestica.
Ultrazvučno funkcionalizirane čestice se široko koriste u polimerima, kompozitima & biokompoziti, nanofluidi, sklopljeni uređaji, nanomedicini, itd. Funkcionalizacijom čestica, karakteristike kao što su stabilnost, čvrstoća & krutost, rastvorljivost, polidisperznost, fluorescencija, magnetizam, superparamagnetizam, optička apsorpcija, visoka gustina elektrona, fotoluminiscencija itd. su drastično poboljšani.
Uobičajene čestice koje su komercijalno funkcionalizirane s Hielscherom’ ultrazvučni sistemi uključuju CNT, SWNT, MWNT, grafen, grafit, silicijum dioksid (SiO2), nanodijamanti, magnetit (gvozdeni oksid, Fe3O4), nano čestice srebra, nano čestice zlata, porozne & mezoporozne nanočestice itd.
Kliknite ovdje da vidite odabrane napomene o primjeni ultrazvučnog tretmana česticama!
ultrazvučni disperzeri
Hielscherova ultrazvučna oprema za dispergiranje dostupna je za laboratorijsku, stočnu i industrijsku proizvodnju. Hielscherovi ultrasonikatori su pouzdani, robusni, laki za rukovanje i čišćenje. Oprema je dizajnirana za 24/7 rad u teškim uslovima rada. Ultrazvučni sistemi se mogu koristiti za serijsku i inline obradu – fleksibilni i lako prilagodljivi vašim procesima i zahtjevima.
Ultrazvučni batch i inline kapaciteti
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 5 do 200 ml | 50 do 500 ml/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 do 2L | 0.25 do 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 do 10L | 1 do 8m3/hr | UIP4000 |
| N / A | 4 do 30m3/hr | UIP16000 |
| N / A | iznad 30m3/hr | klaster of UIP10000 ili UIP16000 |
Ultrazvučni laboratorijski uređaj za funkcionalizaciju čestica
Literatura/Reference
- Kapole, SA:; Bhanvase, BA; Pinjari, DV; Gogate, PR; Kulkami, RD; Sonawane, SH; Pandit, AB (2014): “Ispitivanje učinka inhibicije korozije ultrazvučno pripremljenog nanopigmenta natrijum-cink molibdata u dvokomponentnom epoksi-poliamidnom premazu. Kompozitni interfejsi 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, MMA; Moghaddam, ST; Noruzian, M.(2016): Priprema novih magnetnih nanokompozita od poliuretanske pjene korištenjem nanočestica jezgro-ljuska. Polímeros vol.26 br.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Priprema kompozitnog materijala grafen oksid-polistiren. 3. Međunarodna konferencija o životnoj sredini, hemiji i biologiji. IPCBEE vol.78, 2014.
Činjenice koje vrijedi znati
O kompozitnim materijalima
Kompozitni materijali (također poznati kao kompozitni materijali) su opisani kao materijali napravljeni od dva ili više sastojaka koji se odlikuju značajno različitim fizičkim ili hemijskim svojstvima. Kada se ti sastavni materijali spoje, novi materijal – takozvani kompozit – se proizvodi, koji pokazuje različite karakteristike od pojedinačnih komponenti. Pojedinačne komponente ostaju odvojene i različite unutar gotove strukture.
Novi materijal ima bolja svojstva, npr. jači je, lakši, otporniji ili jeftiniji u odnosu na konvencionalne materijale. Poboljšanja nanokompozita se kreću od mehaničkih, električnih/provodljivih, termičkih, optičkih, elektrohemijskih do katalitičkih svojstava.
Tipični projektovani kompozitni materijali uključuju:
- bio-kompoziti
- ojačane plastike, kao što je polimer ojačan vlaknima
- metalni kompoziti
- keramički kompoziti (keramička matrica i kompozit metalne matrice)
Kompozitni materijali se općenito koriste za građevinske i strukturalne materijale kao što su trupovi čamaca, radne ploče, karoserije automobila, kade, rezervoari za skladištenje, sudoperi od imitacije granita i kultivisanog mramora, kao i u svemirskim letjelicama i avionima.
Kompoziti također mogu koristiti metalna vlakna koja ojačavaju druge metale, kao u kompozitima metalne matrice (MMC) ili keramičkim matričnim kompozitima (CMC), koji uključuju kost (hidroksiapatit ojačan kolagenim vlaknima), kermet (keramika i metal) i beton.
Kompoziti organske matrice/keramičkog agregata uključuju asfalt beton, polimerbeton, mastik asfalt, hibrid mastiks valjaka, dentalni kompozit, sintaksičku pjenu i sedef.
O ultrazvučnim efektima na čestice
Svojstva čestica mogu se uočiti kada se veličina čestica smanji na određeni nivo (poznat kao kritična veličina). Kada dimenzije čestica dostignu nanometarski nivo, interakcije na međufaznim sučeljima postaju u velikoj mjeri poboljšane, što je ključno za poboljšanje karakteristika materijala. Pri tome je najznačajniji odnos površina: zapremina materijala koji se koriste za armiranje u nanokompozitima. Nanokompoziti nude tehnološke i ekonomske prednosti za gotovo sve sektore industrije, uključujući vazduhoplovstvo, automobilsku industriju, elektroniku, biotehnološki, farmaceutski i medicinski sektor. Još jedna velika prednost je njihova ekološka prihvatljivost.
Snažni ultrazvuk poboljšava vlaženje i homogenizaciju između matrice i čestica intenzivnim miješanjem i dispergiranjem – generisano od strane ultrazvučna kavitacija. Budući da je sonikacija najčešće korištena i najuspješnija metoda disperzije kada su u pitanju nano materijali, Hielscherovi ultrazvučni sistemi su instalirani u laboratorijima, pilot postrojenjima i proizvodnji širom svijeta.