Výhodná výroba hydrogelů pomocí sonikace

Sonikace je vysoce účinná, spolehlivá a jednoduchá technika pro přípravu vysoce výkonných hydrogelů. Tyto hydrogely nabízejí vynikající materiálové vlastnosti, jako jsou absorpční kapacita, viskoelasticita, mechanická pevnost, modul pružnosti v tlaku a samoopravné funkce.

Ultrazvuková polymerace a disperze pro výrobu hydrogelů

Hydrogely jsou hydrofilní trojrozměrné polymerní sítě, které jsou schopny absorbovat velké množství vody nebo kapalin. Hydrogely vykazují mimořádnou schopnost botnání. Mezi běžné stavební jednotky hydrogelů patří polyvinylalkohol, polyethylenglykol, polyakrylát sodný, akrylátové polymery, karbomery, polysacharidy nebo polypeptidy s vysokým počtem hydrofilních skupin a přírodní proteiny, jako je kolagen, želatina a fibrin.
Takzvané hybridní hydrogely se skládají z různých chemicky, funkčně a morfologicky odlišných materiálů, jako jsou proteiny, peptidy nebo nano- / mikrostruktury.
Ultrazvuková disperze se široce používá jako vysoce účinná a spolehlivá technika pro homogenizaci nanomateriálů, jako jsou uhlíkové nanotrubice (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), celulózové nanokrystaly, chitinová nanovlákna, oxid titaničitý, nanočástice stříbra, proteiny a další mikro- nebo nanostruktury, do polymerní matrice hydrogelů. Díky tomu je sonikace hlavním nástrojem pro výrobu vysoce výkonných hydrogelů s mimořádnými vlastnostmi.

Co ukazuje výzkum – ultrazvuková příprava hydrogelů

Zaprvé, sonikace podporuje polymerační a zesíťovací reakce během tvorby hydrogelu.
Zadruhé, sonikace se osvědčila jako spolehlivá a účinná disperzní technika pro výrobu hydrogelů a nanokompozitních hydrogelů.

Ultrazvukové zesíťování a polymerace hydrogelů

Sonikace napomáhá tvorbě polymerních sítí během syntézy hydrogelů prostřednictvím generování volných radikálů. Intenzivní ultrazvukové vlny vytvářejí akustickou kavitaci, která způsobuje vysoké smykové síly, molekulární smyk a tvorbu volných radikálů.

Cass et al. (2010) připravili několik hydrogelů: „akrylové hydrogely byly připraveny ultrazvukovou polymerací ve vodě rozpustných monomerů a makromonomerů. Ultrazvuk byl použit k vytvoření iniciačních radikálů ve viskózních vodných roztocích monomerů s použitím přísad glycerolu, sorbitolu nebo glukózy v otevřeném systému při 37°C. Ve vodě rozpustné přísady byly pro výrobu hydrogelů nezbytné, přičemž nejúčinnější byl glycerol. Hydrogely byly připraveny z monomerů 2-hydroxyethylmethakrylátu, poly(ethylenglykol)dimethakrylátu, dextranmethakrylátu, kyseliny akrylové/ethylenglykoldimethakrylátu a akrylamidu/bis-akrylamidu.“ [Cass et al. 2010] Bylo zjištěno, že aplikace ultrazvuku pomocí sondového ultrazvukového přístroje je účinnou metodou pro polymeraci ve vodě rozpustných vinylových monomerů a následnou přípravu hydrogelů. Ultrazvukem iniciovaná polymerace probíhá rychle v nepřítomnosti chemického iniciátoru.
Celý protokol studie naleznete zde!
 

Ultrazvuková dispergace pyrogenního oxidu křemičitého: Ultrazvukový homogenizátor Hielscher UP400S rychle a účinně disperguje práškový oxid křemičitý na jednotlivé nanočástice.

Přečtěte si více o ultrazvukové syntéze nanokompozitních hydrogelů a nanogelů!

Sonikace je kompatibilní se všemi druhy polymerů a biopolymerů a umožňuje vyztužit hybridní hydrogely nanostrukturovanými materiály, jako jsou nanočástice, nanokrystaly nebo nanovlákna. Vyztužení hydrogelů různými nanomateriály umožňuje upravovat a řídit fyzikálně-chemické a reo-mechanické vlastnosti nanokompozitních hydrogelů, protože mikrostruktury jsou klíčovým faktorem pro výsledné vlastnosti materiálu.

Výroba hydrogelu poly(akrylamid-co-kyselina itakonová) – MWCNT pomocí sonikace

Mohammadinezhada et al. (2018) úspěšně vyrobili superabsorpční hydrogelový kompozit obsahující poly(akrylamid-co-kyselinu itakonovou) a vícestěnné uhlíkové nanotrubice (MWCNTs). Sonikace byla provedena ultrazvukovým zařízením Hielscher UP200S. Stabilita hydrogelu se zvyšovala s rostoucím podílem MWCNTs, což lze připsat hydrofobní povaze MWCNTs a také zvýšení hustoty zesíťovacího činidla. Schopnost zadržovat vodu (WRC) hydrogelu P(AAm-co-IA) se rovněž zvýšila v přítomnosti MWCNT (10 wt%). V této studii byly účinky sonikace hodnoceny jako lepší z hlediska rovnoměrné distribuce uhlíkových nanotrubic na povrchu polymeru. MWCNTs zůstaly neporušené, bez jakéhokoli narušení polymerní struktury. Kromě toho se zvýšila pevnost získaného nanokompozitu, jeho schopnost zadržovat vodu i absorpce dalších rozpustných látek, jako je Pb (II). Sonikace rozložila iniciátor a za zvyšující se teploty dispergovala MWCNTs jako vynikající plnivo v polymerních řetězcích.
Výzkumníci dospěli k závěru, že těchto „reakčních podmínek nelze dosáhnout konvenčními metodami a nelze dosáhnout ani homogenity a dobré disperze částic v hostiteli. Navíc proces sonikace rozděluje nanočástice na jednotlivé částice, zatímco míchání to nedokáže. Dalším mechanismem zmenšení velikosti je působení silných akustických vln na sekundární vazby, jako jsou vodíkové vazby – toto ozařování přerušuje vodíkové vazby částic, následně disociuje agregované částice a zvyšuje počet volných adsorpčních skupin, jako je -OH, a jejich dostupnost. Tato důležitá skutečnost tak činí proces sonikace lepší metodou ve srovnání s jinými, jako je magnetické míchání používané v literatuře.“ [Mohammadinezhada et al., 2018]

Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro syntézu hydrogelů

Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonná ultrazvuková zařízení pro syntézu hydrogelů. Od malých a středně velkých ultrazvukových přístrojů pro výzkum a vývoj a pilotní provoz až po průmyslové systémy pro komerční výrobu hydrogelů v kontinuálním režimu – Hielscher Ultrasonics pokryje požadavky vašeho procesu.
Ultrazvukové přístroje průmyslové třídy mohou dodávat velmi vysoké amplitudy, které umožňují spolehlivé zesíťovací a polymerační reakce a rovnoměrnou disperzi nanočástic. Amplitudy až 200µm lze snadno nepřetržitě provozovat v režimu 24/7/365. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody.

Požádejte nás ještě dnes o další technické informace, ceny a nezávaznou cenovou nabídku. Naši dlouholetí zkušení pracovníci vám rádi poradí!
Níže uvedená tabulka vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:

Hielscher SonoStation usnadňuje sonikaci středně velkých šarží pomocí průtočného reaktoru. Kompaktní SonoStation kombinuje míchanou nádrž o objemu 38 litrů s regulovatelným vřetenovým čerpadlem, které může do jednoho nebo dvou ultrazvukových průtočných reaktorů přivádět až 3 litry za minutu.