Ultrazvučna priprema ojačane gume
- Ojačane gume pokazuju veću vlačnu čvrstoću, izduženje, otpornost na habanje i bolju stabilnost pri starenju.
- Punila kao što su čađ (npr. CNT-ovi, MWNT-ovi), grafen ili silika moraju biti homogeno dispergirana u matrici kako bi se postigla željena svojstva materijala.
- Snažni ultrazvuk daje vrhunski kvalitet raspodjele monodisperznih nanočestica s izrazito ojačavajućim svojstvima.
Ultrazvučno dispergiranje
Ultrazvučna obrada (sonikacija) se široko koristi za dispergiranje nanomaterijala, kao što su monodisperzne nanočestice i nanocijevi, jer ultrazvuk u velikoj mjeri poboljšava razdvajanje i funkcionalizaciju čestica i cijevi.
Ultrazvučna oprema za dispergiranje stvara kavitaciju i visoke smične sile kako bi razbila, deaglomerirala, razmrsila i dispergirala nanočestice i nanocijevi. Intenzitet ultrazvučne obrade može se precizno podešavati i kontrolirati, tako da se ultrazvučni procesni parametri savršeno prilagode, uzimajući u obzir koncentraciju, aglomeraciju i poravnanje/zapletenost nanomaterijala. Na taj se način nanomaterijali mogu optimalno obrađivati u skladu sa zahtjevima svog specifičnog materijala. Optimalni uslovi dispergiranja zahvaljujući individualno podešenim ultrazvučnim procesnim parametrima daju visokokvalitetan konačni gumeni nanokompozit s vrhunskim ojačavajućim karakteristikama nanoaditiva i nanopunila.
Zahvaljujući vrhunskom kvalitetu dispergiranja ultrazvukom i time postignutoj ujednačenoj disperziji, dovoljno je vrlo malo punjenje punilom da bi se dobile izvrsne karakteristike materijala.
Industrijski ultrazvučni sistem
Ultrazvučno ojačana guma s čađi
Čađ je jedno od najvažnijih punila u gumama, posebno za pneumatike, jer gumenom materijalu daje otpornost na habanje i vlačnu čvrstoću. Čestice čađi imaju izraženu sklonost stvaranju agregata koje je teško homogeno dispergirati. Čađ se uobičajeno koristi u bojama, emajlima, štamparskim bojama, bojilima za najlon i plastiku, mješavinama lateksa, mješavinama voska, fotoprevlakama i drugdje.
Ultrazvučno dispergiranje omogućava deaglomeraciju i ujednačeno miješanje uz vrlo visoku monodisperznost čestica.
Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnom dispergiranju za ojačane kompozite!
Ultrazvučno ojačana guma s CNT-ovima / MWCNT-ovima
Ultrazvučni homogenizatori su snažni sistemi za dispergiranje koji se mogu precizno kontrolirati i prilagođavati zahtjevima procesa i materijala. Precizna kontrola ultrazvučnih procesnih parametara posebno je važna za dispergiranje nanocijevi kao što su MWNT-ovi ili SWNT-ovi, jer nanocijevi moraju biti razmrsene u pojedinačne cijevi bez oštećenja (npr. pucanja). Neoštećene nanocijevi imaju visok odnos dužine i prečnika (do 132.000.000:1), tako da pružaju izuzetnu čvrstoću i krutost kada se formuliraju u kompozit. Snažna, precizno podešena ultrazvučna obrada (sonikacija) savladava Van der Waalsove sile te dispergira i razmrsuje nanocijevi, što rezultira visokoučinkovitim gumenim materijalom izuzetne vlačne čvrstoće i modula elastičnosti.
Osim toga, ultrazvučna funkcionalizacija koristi se za modificiranje ugljičnih nanocijevi radi postizanja željenih svojstava koja se mogu koristiti u raznovrsnim primjenama.
Ultrazvučni uređaji za kontinuirano dispergiranje nanomaterijala, čađi ili aktivnog uglja.
Ultrazvučno ojačana guma s nanosilikom
Ultrazvučni disperzeri postižu vrlo ujednačenu raspodjelu nanočestica silike (SiO2) u polimernim otopinama gume. Nanočestice silike (SiO2) moraju biti homogeno raspoređene kao monodisperzne čestice u polimeriziranom stiren-butadienu i drugim gumama. Monodisperzni nano-SiO2 djeluje kao sredstvo za ojačanje koje znatno poboljšava žilavost, čvrstoću, izduženje, savijanje i otpornost na starenje. Za nanočestice vrijedi: što je manja veličina čestica, to je veća specifična površina čestica. Uz veći omjer površine i volumena (S/V) postižu se bolji strukturni i ojačavajući efekti, što povećava vlačnu čvrstoću i tvrdoću gumenih proizvoda.
Ultrazvučno dispergiranje nanočestica silike omogućava da se procesni parametri precizno kontroliraju, tako da se dobije sferna morfologija, precizno podešena veličina čestica i vrlo uska raspodjela veličina.
Ultrazvučno dispergirana silika daje najbolje performanse materijala tako ojačane gume.
Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnom dispergiranju SiO2!
Ultrazvučno dispergiranje ojačavajućih aditiva
Dokazano je da ultrazvučna obrada dispergira mnoge druge nanočestične materijale radi poboljšanja modula, vlačne čvrstoće i svojstava zamora gumenih kompozita. Budući da su veličina čestica, oblik, površina i površinska aktivnost punila i ojačavajućih aditiva ključni za njihovu učinkovitost, snažni i pouzdani ultrazvučni disperzeri jedna su od najčešće korištenih metoda za formuliranje mikro- i nanočestica u gumene proizvode.
Tipični aditivi i punila koji se ultrazvučnom obradom ugrađuju kao ravnomjerno raspoređene ili monodisperzne čestice u gumene matrice jesu kalcijev karbonat, kaolinska glina, pirogena silika, taložena silika, grafitni oksid, grafen, tinjac, talk, barit, volastonit, taloženi silikati, pirogena silika i dijatomit.
Kada se TiO2 nanočestice funkcionalizirane oleinskom kiselinom ultrazvučno dispergiraju u stiren-butadienskoj gumi, čak i vrlo mala količina oleat-SiO2 daje značajno poboljšan modul, vlačnu čvrstoću i svojstva zamora te djeluje kao zaštitno sredstvo od fotodegradacije i toplotne degradacije.
- Alumina trihidrat (Al2O3) dodaje se kao usporivač gorenja, radi poboljšanja toplotne provodljivosti te za otpornost na tracking i eroziju.
- Punila od cinkovog oksida (ZnO) povećavaju relativnu permitivnost kao i toplotnu provodljivost.
- Titanijev dioksid (TiO2) poboljšava toplotnu i električnu provodljivost.
- Kalcijev karbonat (CaCO3) koristi se kao aditiv zbog svojih mehaničkih i reoloških svojstava te svojstava usporavanja gorenja.
- Barijev titanat (BaTiO3) povećava toplotnu stabilnost.
- Grafen i grafen-oksid (GO) daju vrhunske mehaničke, električne, toplotne i optičke karakteristike materijala.
- Ugljične nanocijevi (CNT-ovi) značajno poboljšavaju mehanička svojstva kao što su vlačna čvrstoća, te električnu i toplotnu provodljivost.
- Višezidne ugljične nanocijevi (MWNT-ovi) poboljšavaju Youngov modul i granicu tečenja. Na primjer, već 1 wt.% MWNT-ova u epoksidu rezultira povećanjem Youngovog modula i granice tečenja, i to za 100% odnosno 200%, u poređenju s čistom matricom.
- Jednozidne ugljične nanocijevi (SWNT-ovi) poboljšavaju mehanička svojstva i toplotnu provodljivost.
- Ugljična nanovlakna (CNF) dodaju čvrstoću, otpornost na toplotu i trajnost.
- Metalne nanočestice kao što su nikl, željezo, bakar, cink, aluminij i srebro dodaju se radi poboljšanja električne i toplotne provodljivosti.
- Organski nanomaterijali kao što je montmorilonit poboljšavaju mehanička svojstva i svojstva usporavanja gorenja.
Ultrazvučni sistemi za dispergiranje
Hielscher Ultrasonics nudi širok asortiman ultrazvučne opreme – od manjih stolnih sistema za ispitivanje izvodljivosti do robusnih industrijskih ultrazvučnih jedinica snage do 16kW po jedinici. Snaga, pouzdanost, precizna upravljivost, kao i robusnost čine ultrazvučne sisteme za dispergiranje kompanije Hielscher „radnim konjem“ u proizvodnoj liniji formulacija s mikro- i nanočesticama. Naši ultrazvučni uređaji sposobni su obrađivati vodene disperzije i disperzije na bazi otapala sve do visokih viskoznosti (do 10.000cp) bez poteškoća. Razne sonotrode (ultrazvučni rogovi), buster (pojačivač/smanjivač), geometrije protočnih ćelija i drugi pribor omogućavaju optimalno prilagođavanje ultrazvučnog disperzera proizvodu i zahtjevima njegovog procesa.
Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se neprekidno koristiti u radu 24/7 bez odlaganja. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher omogućava 24/7 rad pri velikom opterećenju i u zahtjevnim okruženjima. Ultrazvučni disperzeri kompanije Hielscher instalirani su širom svijeta za komercijalnu proizvodnju velikih razmjera.
Prilagođena ultrazvučna postavka za nanodisperzije
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster uređaja UIP16000 |
Literatura / Reference
- 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.
Vrijedno je znati
Sintetička guma
Sintetička guma je svaki umjetni elastomer. Sintetičke gume su uglavnom polimeri sintetizirani iz nusproizvoda nafte i, kao i drugi polimeri, prave se od raznih monomera na bazi nafte. Najrasprostranjenija sintetička guma je stiren-butadienska guma (SBR) dobijena kopolimerizacijom stirena i 1,3-butadiena. Ostale sintetičke gume pripremaju se od izoprena (2-metil-1,3-butadiena), kloroprena (2-hlor-1,3-butadiena) i izobutilena (metilpropena) s malim postotkom izoprena za umrežavanje. Ovi i drugi monomeri mogu se miješati u različitim omjerima radi kopolimerizacije kako bi se dobili proizvodi s rasponom fizičkih, mehaničkih i hemijskih svojstava. Monomeri se mogu proizvesti čisti, a dodavanje nečistoća ili aditiva može se projektno kontrolirati kako bi se dobila optimalna svojstva. Polimerizacija čistih monomera može se bolje kontrolirati kako bi se dobio željeni udio cis i trans dvostrukih veza.
Sintetička guma se, kao i prirodna guma, široko koristi u automobilskoj industriji za pneumatike, profile vrata i prozora, crijeva, remene, prostirke i podne obloge.
Prirodna guma
Prirodna guma poznata je i kao indijska guma ili kaučuk. Prirodna guma se klasificira kao elastomer i sastoji se uglavnom od polimera organskog spoja poli-cis-izoprena i vode. Sadrži tragove nečistoća kao što su proteini, prljavština itd. Prirodna guma, koja se dobija kao lateks iz kaučukovca Hevea Brasiliensis, pokazuje odlična mehanička svojstva. Međutim, u poređenju sa sintetičkim gumama, prirodna guma ima slabije performanse materijala, posebno u pogledu toplotne stabilnosti i kompatibilnosti s naftnim proizvodima. Prirodna guma ima širok spektar primjena, bilo samostalno ili u kombinaciji s drugim materijalima. Najčešće se koristi zbog velikog omjera rastezanja, visoke elastičnosti i izuzetno visoke vodonepropusnosti. Tačka topljenja gume je na približno 180°C (356°F).
Tabela u nastavku daje pregled različitih vrsta gume:
| ISO | Tehnički naziv | Uobičajeni naziv |
|---|---|---|
| ACM | Poliakrilatna guma | |
| AEM | Etilen-akrilatna guma | |
| AU | Poliester-uretan | |
| BIIR | Brom-izobutilen-izopren | Bromobutil |
| BR | Polibutadien | Buna CB |
| CIIR | Hlor-izobutilen-izopren | Hlorobutil, butil |
| CR | Polihloropren | Hloropren, neopren |
| CSM | Hlorosulfonirani polietilen | Hypalon |
| ECO | Epihlorhidrin | ECO, epihlorhidrin, Epichlore, Epichloridrine, Herclor, Hydrin |
| EP | Etilen-propilen | |
| EPDM | Etilen-propilen-dien monomer | EPDM, Nordel |
| EU | Polieter-uretan | |
| FFKM | Perfluorougljična guma | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Fluorirani ugljikovodik | Viton, Fluorel |
| FMQ | Fluorosilikon | FMQ, silikonska guma |
| FPM | Fluorougljična guma | |
| HNBR | Hidrogenirani nitril-butadien | HNBR |
| IR | Poliizopren | (Sintetička) prirodna guma |
| IIR | Izobutilen-izopren butil | Butil |
| NBR | Akrilonitril-butadien | NBR, nitril, Perbunan, Buna-N |
| PU | Poliuretan | PU, poliuretan |
| SBR | Stiren-butadien | SBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE |
| SEBS | Stiren-etilen-butilen-stiren kopolimer | SEBS guma |
| SI | Polisiloksan | Silikonska guma |
| VMQ | Vinil-metil-silikon | Silikonska guma |
| XNBR | Akrilonitril-butadien-karboksi monomer | XNBR, karboksilirani nitril |
| XSBR | Stiren-butadien-karboksi monomer | |
| YBPO | Termoplastični polieter-ester | |
| YSBR | Stiren-butadien blok kopolimer | |
| YXSBR | Stiren-butadien-karboksi blok kopolimer |
SBR
Stiren-butadien ili stiren-butadienska guma (SBR) označava sintetičke gume koje se dobijaju iz stirena i butadiena. Ojačani stiren-butadien odlikuje se visokom otpornošću na habanje i dobrim svojstvima protiv starenja. Omjer stirena i butadiena određuje svojstva polimera: pri visokom sadržaju stirena guma postaje tvrđa i manje gumasta.
Ograničenja neojačanog SBR-a uzrokovana su njegovom niskom čvrstoćom bez ojačanja, niskom elastičnošću, niskom otpornošću na kidanje (posebno pri visokim temperaturama) i slabom lepljivošću. Stoga su ojačavajuća sredstva i punila potrebna za poboljšanje svojstava SBR-a. Na primjer, punila od čađi koriste se za znatno povećanje čvrstoće i otpornosti na habanje.
Stiren
Stiren (C8H8) poznat je pod raznim nazivima, kao što su etenilbenzen, vinilbenzen, fenileten, feniletilen, cinamen, stirol, diarex HF 77, stirolen i stiropol. To je organski spoj hemijske formule C6H5CH=CH2. Stiren je prekursor polistirena i nekoliko kopolimera.
On je derivat benzena i pojavljuje se kao bezbojna uljasta tekućina koja lako isparava. Stiren ima sladak miris koji pri visokim koncentracijama prelazi u manje ugodan miris.
U prisustvu vinilne grupe stiren stvara polimer. Polimeri na bazi stirena komercijalno se proizvode za dobivanje proizvoda kao što su polistiren, ABS, stiren-butadienska (SBR) guma, stiren-butadienski lateks, SIS (stiren-izopren-stiren), S-EB-S (stiren-etilen/butilen-stiren), stiren-divinilbenzen (S-DVB), stiren-akrilonitrilna smola (SAN) i nezasićeni poliesteri koji se koriste u smolama i termoreaktivnim smjesama. Ovi materijali su važne komponente za proizvodnju gume, plastike, izolacije, fiberglasa, cijevi, dijelova automobila i čamaca, posuda za hranu i podloge za tepihe.
Primjene gume
Guma ima mnoge karakteristike materijala, kao što su čvrstoća, dugotrajnost, otpornost na vodu i otpornost na toplotu. Ta svojstva čine gumu vrlo svestranom, pa se koristi u mnogim industrijama. Glavna upotreba gume je u automobilskoj industriji, uglavnom za proizvodnju pneumatika. Dodatne karakteristike, kao što su protukliznost, mekoća, trajnost i elastičnost, čine gumu vrlo traženim kompozitom koji se koristi za proizvodnju obuće, podnih obloga, medicinskih i zdravstvenih potrepština, proizvoda za domaćinstvo, igračaka, sportskih artikala i mnogih drugih gumenih proizvoda.
Nanoaditivi i punila
Punila i aditivi nanometarskih dimenzija u gumama djeluju kao ojačavajuća i zaštitna sredstva radi poboljšanja vlačne čvrstoće, otpornosti na habanje, otpornosti na kidanje, histereze te radi zaštite gume od fotodegradacije i toplotne degradacije.
Silika
Silika (SiO2, silicijev dioksid) koristi se u mnogim oblicima, kao što su amorfna silika, npr. pirogena silika, silika fume, taložena silika, radi poboljšanja karakteristika materijala u pogledu dinamičko-mehaničkih svojstava, otpornosti na toplotno starenje i morfologije. Smjese punjene silikom pokazuju rastuću viskoznost i gustoću umreženja srazmjerno rastućem sadržaju punila. Tvrdoća, modul, vlačna čvrstoća i karakteristike habanja progresivno su se poboljšavali povećanjem količine silika-punila.
Čađ
Čađ je oblik parakristalnog ugljika s hemisorbiranim kisikovim kompleksima (kao što su karboksilne, kinonske, laktonske, fenolne grupe i druge) vezanim za njegovu površinu. Te površinske kisikove grupe obično se svrstavaju pod pojam „hlapljivi kompleksi“. Zbog tog sadržaja hlapljivih tvari čađ je neprovodljiv materijal. Čestice čađi funkcionalizirane kompleksima ugljika i kisika lakše se dispergiraju.
Visok omjer površine i volumena čađi čini je uobičajenim ojačavajućim punilom. Gotovo svi gumeni proizvodi kod kojih su vlačna čvrstoća i otpornost na habanje ključne koriste čađ. Taložena ili pirogena silika koristi se kao zamjena za čađ kada je potrebno ojačanje gume, ali treba izbjeći crnu boju. Međutim, punila na bazi silike dobijaju tržišni udio i u automobilskim pneumaticima, jer upotreba punila od silike dovodi do manjeg gubitka kotrljanja u poređenju s pneumaticima punjenim čađi.
Tabela u nastavku daje pregled vrsta čađi koje se koriste u pneumaticima
| Naziv | Skr. | ASTM | Veličina čestica nm | Vlačna čvrstoća MPa | Relativno laboratorijsko habanje | Relativno habanje na cesti |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Furnace super otporan na habanje | SAF | N110 | 20–25 | 25,2 | 1,35 | 1,25 |
| Intermedijarni SAF | ISAF | N220 | 24–33 | 23,1 | 1,25 | 1,15 |
| Furnace visoke otpornosti na habanje | HAF | N330 | 28–36 | 22,4 | 1,00 | 1,00 |
| Channel lake obrade | EPC | N300 | 30–35 | 21,7 | 0,80 | 0,90 |
| Furnace brze ekstruzije | FEF | N550 | 39–55 | 18,2 | 0,64 | 0,72 |
| Furnace visokog modula | HMF | N660 | 49–73 | 16,1 | 0,56 | 0,66 |
| Poluojačavajući furnace | SRF | N770 | 70–96 | 14,7 | 0,48 | 0,60 |
| Fini termalni | FT | N880 | 180–200 | 12,6 | 0,22 | – |
| Srednji termalni | MT | N990 | 250–350 | 9,8 | 0,18 | – |
Grafen-oksid
Grafen-oksid dispergiran u SBR-u daje visoku vlačnu čvrstoću i otpornost na kidanje, kao i izuzetnu otpornost na habanje i nizak otpor kotrljanja, što su važna svojstva materijala za proizvodnju pneumatika. SBR ojačan grafen-oksidom i silikom nudi konkurentnu alternativu za ekološki prihvatljivu proizvodnju pneumatika, kao i za proizvodnju visokoučinkovitih gumenih kompozita. Grafen i grafen-oksid mogu se uspješno, pouzdano i lako eksfolirati ultrazvučnom obradom (sonikacijom). Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnoj proizvodnji grafena!