Ultrazvučna priprema ojačane gume
- Ojačane gume pokazuju veću vlačnu čvrstoću, istezanje, otpornost na habanje i bolju stabilnost starenja.
- Punila kao što su čađa (npr. CNT, MWNT), grafen ili silicijum moraju biti homogeno dispergovani u matrici da bi se obezbedila željena svojstva materijala.
- Snažni ultrazvuk daje superioran kvalitet distribucije monodisperznih nanočestica s visokom jačajućim svojstvima.
Ultrazvučna disperzija
Ultrazvuk se široko koristi za dispergiranje nano materijala kao što su monodisperzne nanočestice i nanocijevi, budući da ultrazvuk uvelike poboljšava odvajanje i funkcionalizaciju čestica i cijevi.
Ultrazvučna oprema za raspršivanje stvara kavitacija i velike sile smicanja za razbijanje, deaglomeraciju, raspetljavanje i raspršivanje nanočestica i nanocijevi. Intenzitet ultrazvučne obrade može se precizno podesiti i kontrolirati tako da se parametri ultrazvučne obrade savršeno prilagođavaju, uzimajući u obzir koncentraciju, aglomeraciju i poravnanje/prepletenost nano materijala. Time se nano materijali mogu optimalno obraditi s obzirom na njihove specifične zahtjeve materijala. Optimalni uvjeti disperzije zbog individualno prilagođenih parametara ultrazvučnog procesa rezultiraju visokokvalitetnim konačnim gumenim nanokompozitom s superiornim ojačavajućim karakteristikama nano-aditiva i punila.
Zbog vrhunskog kvaliteta disperzije ultrazvuka i na taj način postignute ujednačene disperzije, vrlo nisko punjenje punila je dovoljno za postizanje odličnih karakteristika materijala.
Industrijski ultrazvučni sistem
Ultrazvučna guma ojačana čađom
Čađa je jedno od najvažnijih punila u gumama, posebno za gume, kako bi gumenom materijalu dala otpornost na abraziju i vlačnu čvrstoću. Čestice čađe su jako sklone formiranju agregata koje je teško homogeno dispergirati. Čađa se obično koristi u bojama, emajlima, tiskarskim bojama, bojama od najlona i plastike, mješavinama lateksa, mješavinama voska, foto premazima i još mnogo toga.
Ultrazvučna disperzija omogućava deaglomeraciju i ravnomjerno miješanje uz vrlo visoku monodisperznost čestica.
Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnoj disperziji za ojačane kompozite!
Ultrazvučno CNT- / MWCNT-pojačana guma
Ultrazvučni homogenizatori su moćni dispergirajući sistemi koji se mogu precizno kontrolisati i prilagoditi zahtjevima procesa i materijala. Precizna kontrola parametara ultrazvučnog procesa posebno je važna za dispergiranje nanocijevi kao što su MWNT ili SWNT, budući da se nanocijevi moraju rasplesti u pojedinačne cijevi bez oštećenja (npr. cijepanje). Neoštećene nanocevi nude visok odnos širine i visine (do 132.000.000:1) tako da daju izuzetnu snagu i krutost kada se formulišu u kompozit. Snažna, precizno podešena sonikacija prevladava Van der Waalsove sile i raspršuje i raspetljava nanocijevi što rezultira gumenim materijalom visokih performansi s izuzetnom vlačnom čvrstoćom i modulom elastičnosti.
Nadalje, ultrazvučna funkcionalizacija koristi se za modificiranje ugljičnih nanocijevi kako bi se postigla željena svojstva koja se mogu koristiti u višestrukim aplikacijama.
Ultrasonikatori za kontinuiranu disperziju nanomaterijala, čađe ili aktivnog uglja.
Ultrazvučno nano-silicijum ojačana guma
Ultrazvučni disperzatori isporučuju vrlo ujednačenu distribuciju čestica silicijum dioksida (SiO2) nanočestice u rastvorima gumenih polimera. Silicijum (SiO2) nanočestice moraju biti homogeno raspoređene kao mono-disperzne čestice u polimerizovanom stiren-butadienu i drugim kaučucima. Mono-disperzni nano-SiO2 djeluje kao ojačavajuća sredstva, što značajno poboljšava žilavost, snagu, izduživanje, savijanje i učinak protiv starenja. Za nano čestice važi: Što je manja veličina čestica, veća je specifična površina čestica. Sa većim odnosom površina/volumen (S/V) postižu se bolji strukturni i ojačavajući efekti, što povećava vlačnu čvrstoću i tvrdoću gumenih proizvoda.
Ultrazvučna disperzija nano čestica silicijum dioksida omogućava da se precizno kontrolišu parametri procesa tako da se dobije sferna morfologija, precizno podešena veličina čestica i veoma uska distribucija veličine.
Ultrazvučno dispergovani silicijum dioksid rezultira najvišim performansama materijala time ojačane gume.
Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnom raspršivanju SiO2!
Ultrazvučna disperzija ojačavajućih aditiva
Dokazano je da ultrazvuk raspršuje mnoge druge nanočestične materijale kako bi poboljšao modul, vlačnu čvrstoću i svojstva zamora gumenih kompozita. Budući da su veličina čestica, oblik, površina i površinska aktivnost punila i aditiva za ojačavanje presudni za njihov učinak, snažni i pouzdani ultrazvučni disperzatori su jedna od najčešće korištenih metoda za formuliranje čestica mikro i nano veličine u gumene proizvode.
Tipični aditivi i punila, koji se ugrađuju ultrazvučnom obradom kao ravnomjerno raspoređene ili monodisperzne čestice u gumenim matricama, su kalcijev karbonat, kaolinska glina, ispareni silicijum dioksid, taloženi silicijum dioksid, grafitni oksid, grafen, liskun, talk, barit, volastonit, precipitirani silikati silicijum i dijatomit.
Kada je TiO funkcionaliziran oleinskom kiselinom2 nanočestice su ultrazvučno raspršene u stiren-butadien kaučuku, čak i vrlo mala količina oleinskog-SiO2 rezultira značajno poboljšanim modulom, vlačnom čvrstoćom i svojstvima zamora i funkcionira kao zaštitno sredstvo protiv foto i termo degradacije.
- Aluminij trihidrat (Al2O3) se dodaje kao usporivač plamena, radi poboljšanja toplotne provodljivosti i otpornosti na praćenje i eroziju.
- Cink oksid (ZnO) punila povećavaju relativnu permitivnost kao i toplotnu provodljivost.
- Titanijum dioksid (TiO2) poboljšava toplotnu i električnu provodljivost.
- Kalcijum karbonat (CaCO3) se koristi kao aditiv zbog svojih mehaničkih, reoloških i svojstava usporavanja plamena.
- Barijum titanat (BaTiO3) povećava termičku stabilnost.
- grafen i grafen oksid (GO) daju superiorne mehaničke, električne, termičke i optičke karakteristike materijala.
- ugljične nanocijevi (CNT) značajno poboljšavaju mehanička svojstva kao što su vlačna čvrstoća, električna i toplotna provodljivost.
- Višeslojne ugljenične nanocevi (MWNT) poboljšavaju Youngov modul i granicu tečenja. Na primjer, samo 1 tež.% MWNT-a u epoksidu rezultira povećanim Youngovim modulom i granom tečenja, respektivno, 100% i 200%, u poređenju sa čistom matricom.
- Ugljične nanocijevi sa jednim zidom (SWNT) poboljšavaju mehanička svojstva i toplotnu provodljivost.
- Ugljična nanovlakna (CNF) dodaju snagu, otpornost na toplinu i izdržljivost.
- Metalne nanočestice kao što su nikl, gvožđe, bakar, cink, aluminijum i srebro dodaju se radi poboljšanja električne i toplinske provodljivosti.
- Organski nanomaterijali kao npr montmorilonit poboljšati mehanička svojstva i svojstva otpornosti na vatru.
Ultrazvučni disperzioni sistemi
Hielscher Ultrasonics nudi široku paletu proizvoda ultrazvučne opreme – od manjih stolnih sistema za testiranje izvodljivosti do teških industrijske ultrazvučne jedinice sa do 16kW po jedinici. Snaga, pouzdanost, precizna kontrola kao i njihova robustnost čine Hielscherove ultrazvučne sisteme za raspršivanje “radni konj” u proizvodnoj liniji mikronskih i nano-čestica formulacija. Naši ultrasonikatori su u stanju da obrađuju vodene disperzije i disperzije na bazi rastvarača do visoki viskoznosti (do 10.000 cp) lako. Različite sonotrode (ultrazvučne trube), pojačivači (pojačavač/smanjivači), geometrije protočnih ćelija i drugi dodaci omogućavaju optimalno prilagođavanje ultrazvučnog disperzatora proizvodu i njegovim procesnim zahtjevima.
Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se kontinuirano izvoditi u 24/7 operaciji u kratkom roku. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućava 24/7 operacija u težak zadatak iu zahtevnim okruženjima. Hielscherovi ultrazvučni disperzatori su instalirani širom svijeta za veliku komercijalnu proizvodnju.
Prilagođeno ultrazvučno podešavanje za nano-disperzije
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000 |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of 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.
Činjenice koje vrijedi znati
sintetička guma
Sintetička guma je bilo koji umjetni elastomer. Sintetičke gume su uglavnom polimeri sintetizirani iz naftnih nusproizvoda i napravljeni su, kao i drugi polimeri, od različitih monomera na bazi nafte. Najzastupljenija sintetička guma je stiren-butadienska guma (SBR) koja se dobija kopolimerizacijom stirena i 1,3-butadiena. Druge sintetičke gume se pripremaju od izoprena (2-metil-1,3-butadien), hloroprena (2-kloro-1,3-butadien) i izobutilena (metilpropena) sa malim procentom izoprena za umrežavanje. Ovi i drugi monomeri mogu se miješati u različitim omjerima kako bi se kopolimerizirali za proizvodnju proizvoda s nizom fizičkih, mehaničkih i kemijskih svojstava. Monomeri se mogu proizvoditi čisti, a dodavanje nečistoća ili aditiva može se kontrolisati dizajnom 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, kao i prirodna guma, ima široku primjenu u automobilskoj industriji za gume, profile vrata i prozora, crijeva, kaiševe, otirače i podove.
prirodna guma
Prirodna guma je poznata i kao indijska guma ili kaučuk. Prirodna guma je klasifikovana kao elastomer i sastoji se uglavnom od polimera organskog jedinjenja poli-cis-izoprena i vode. Sadrži tragove nečistoća kao što su proteini, prljavština itd. Prirodna guma, koja se dobija kao lateks iz drveta kaučuka Hevea Brasiliensis, pokazuje odlična mehanička svojstva. Međutim, u poređenju sa sintetičkim kaučukom, prirodna guma ima niže karakteristike materijala, posebno u pogledu njene termičke stabilnosti i kompatibilnosti sa naftnim derivatima. Prirodna guma ima širok spektar primjena, samostalno ili u kombinaciji s drugim materijalima. Uglavnom se koristi zbog velikog omjera rastezanja, visoke elastičnosti i izuzetno visoke vodonepropusnosti. Tačka topljenja gume je na približno 180°C (356°F).
Donja tabela daje pregled različitih vrsta gume:
| ISO | Tehnički naziv | Uobičajeno ime |
|---|---|---|
| ACM | Poliakrilna guma | |
| AEM | Etilen-akrilatna guma | |
| AU | Poliester Uretan | |
| BIIR | Bromo izobutilen izopren | bromobutil |
| BR | polibutadien | Buna CB |
| CIIR | Klor izobutilen izopren | klorobutil, butil |
| CR | Polikloropren | Hloropren, neopren |
| CSM | Klorsulfonirani polietilen | Hypalon |
| ECO | Epiklorohidrin | ECO, epihlorohidrin, epihlor, epihloridrin, herklor, hidrin |
| EP | Etilen propilen | |
| EPDM | Etilen propilen dien monomer | EPDM, Nordel |
| EU | Polieter uretan | |
| FFKM | Perfluorokarbonska guma | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Fluorirani ugljovodonik | Viton, Fluorel |
| FMQ | Fluoro silikon | FMQ, silikonska guma |
| FPM | Fluorokarbonska guma | |
| HNBR | Hidrogenirani nitril butadien | HNBR |
| IR | Poliizopren | (Sintetička) prirodna guma |
| IIR | Izobutilen Isoprene Butyl | butyl |
| NBR | Acrylonitrile Butadiene | 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 Rubber |
| 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-butadien kaučuk (SBR) opisuje sintetičke gume, koje su izvedene od stirena i butadiena. Ojačani stiren-butadien karakterizira visoka otpornost na habanje i dobra svojstva protiv starenja. Odnos između stirena i butadiena određuje svojstva polimera: zbog visokog sadržaja stirena, gume postaju tvrđe i manje gumene.
Ograničenja neojačanog SBR-a su uzrokovana njegovom malom čvrstoćom bez armature, malom otpornošću, malom čvrstoćom na kidanje (posebno pri visokim temperaturama) i slabom prianjanjem. Stoga su potrebna sredstva za ojačavanje i punila za poboljšanje svojstava SBR-a. Na primjer, punila čađe se koriste za jaku čvrstoću i otpornost na habanje.
stiren
Stiren (C8H8) je poznat pod različitim terminima kao što su etenilbenzen, vinilbenzen, fenileten, feniletilen, cinamen, stirol, diarex HF 77, stirolen i stiropol. To je organsko jedinjenje sa hemijskom formulom C6H5CH=CH2. Stiren je prekursor polistirena i nekoliko kopolimera.
To je derivat benzena i izgleda kao bezbojna uljasta tečnost koja lako isparava. Stiren ima slatkast miris, koji se u visokim koncentracijama pretvara u manje prijatan miris.
U prisustvu vinilne grupe, stiren formira polimer. Polimeri na bazi stirena se komercijalno proizvode za dobijanje proizvoda kao što su polistiren, ABS, stiren-butadien (SBR) guma, stiren-butadien 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 spojevima. Ovi materijali su važne komponente za proizvodnju gume, plastike, izolacije, stakloplastike, cijevi, dijelova za automobile i čamce, kontejnera za hranu i podloge za tepihe.
Rubber Applications
Guma ima mnoge karakteristike materijala kao što su čvrstoća, dugotrajnost, otpornost na vodu i toplotu. Ova svojstva čine gumu veoma raznovrsnom tako da se koristi u mnogim industrijama. Glavna upotreba gume je u automobilskoj industriji, uglavnom za proizvodnju guma. Dodatne karakteristike kao što su neklizavost, mekoća, izdržljivost i elastičnost čine gumu vrlo popularnim kompozitom koji se koristi za proizvodnju obuće, podova, medicinskih i zdravstvenih potrepština, proizvoda za domaćinstvo, igračaka, sportskih artikala i mnogih drugih proizvoda od gume.
Nano-aditivi i punila
Nano-veličina punila i aditivi u gumama djeluju kao ojačavajuća i zaštitna sredstva za poboljšanje vlačne čvrstoće, otpornosti na abraziju, otpornosti na kidanje, histereze i zaštite od foto- i termičke degradacije gume.
Silica
Silicijum (SiO2, silicijum dioksid) se koristi u mnogim oblicima kao što je amorfni silicijum, npr. ispareni silicijum dioksid, silicijum dioksid, istaloženi silicijum za poboljšanje karakteristika materijala u pogledu dinamičkih mehaničkih svojstava, otpornosti na termičko starenje i morfologije. Jedinjenja punjena silicijum-dioksidom pokazuju sve veći viskozitet i gustinu umreženja, odnosno sve veći sadržaj punila. Tvrdoća, modul, vlačna čvrstoća i karakteristike habanja su progresivno poboljšani povećanjem količine silicijum-dioksida.
čađa
Čađa je oblik parakristalnog ugljika s hemosorbiranim kompleksima kisika (kao što su karboksilne, kinonske, laktonske, fenolne grupe i druge) vezane za njegovu površinu. Ove površinske grupe kiseonika obično se grupišu pod terminom “hlapljivi kompleksi”. Zbog ovog isparljivog sadržaja, čađa je neprovodljiv materijal. Sa kompleksima ugljika i kisika funkcionalizirane čestice čađe se lakše raspršuju.
Visok omjer površine i zapremine čađe čini je uobičajenim punilom za ojačavanje. Gotovo svi proizvodi od gume, za koje su bitna vlačna čvrstoća i otpornost na habanje, koriste čađu. Precipitirani ili ispareni silicijum se koristi kao zamena za čađu, kada je potrebno ojačanje gume, ali treba izbegavati crnu boju. Međutim, punila na bazi silicijum dioksida takođe dobijaju tržišni udeo u automobilskim gumama, jer upotreba silicijumskih punila rezultira manjim gubicima kotrljanja u poređenju sa gumama punjenim čađom.
Tabela ispod daje pregled tipova čađe koja se koristi u gumama
| Ime | Skraćeno. | astm | Veličina čestice nm | Vlačna čvrstoća MPa | Relativna laboratorijska abrazija | Relativna habanje odeće |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Super abraziona peć | SAF | N110 | 20–25 | 25.2 | 1.35 | 1.25 |
| Srednji SAF | ISAF | N220 | 24–33 | 23.1 | 1.25 | 1.15 |
| Peć visoke abrazije | HAF | N330 | 28–36 | 22.4 | 1.00 | 1.00 |
| Kanal za laku obradu | EPC | N300 | 30–35 | 21.7 | 0.80 | 0.90 |
| Peć za brzo ekstrudiranje | FEF | N550 | 39–55 | 18.2 | 0.64 | 0.72 |
| Peć visokog modula | HMF | N660 | 49–73 | 16.1 | 0.56 | 0.66 |
| Poluarmirajuća peć | SRF | N770 | 70–96 | 14.7 | 0.48 | 0.60 |
| Fine Thermal | FT | N880 | 180–200 | 12.6 | 0.22 | – |
| Medium Thermal | MT | N990 | 250–350 | 9.8 | 0.18 | – |
grafen oksid
Grafen oksid dispergovan u SBR-u daje visoku vlačnu čvrstoću i čvrstoću na kidanje, kao i izvanrednu otpornost na habanje i nisku otpornost na kotrljanje, što je važna svojstva materijala za proizvodnju guma. SBR ojačan grafen oksidom i silicijum dioksidom nudi konkurentnu alternativu za ekološku proizvodnju guma, kao i za proizvodnju gumenih kompozita visokih performansi. Grafen i grafen oksid mogu se uspješno, pouzdano i lako ljuštiti ultrazvukom. Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnoj proizvodnji grafena!