Ultrazvuková formulace vyztužených kompozitů
- Kompozity vykazují jedinečné materiálové vlastnosti, jako je výrazně zvýšená tepelná stabilita, modul pružnosti, pevnost v tahu a lomová pevnost, a proto se široce používají při výrobě rozmanitých produktů.
- Je prokázáno, že sonikace vytváří vysoce kvalitní nanokompozity s vysoce dispergovanými CNT, grafenem atd.
- Ultrazvuková zařízení pro formulaci vyztužených kompozitů jsou k dispozici v průmyslovém měřítku.
Nanokompozity
Nanokompozity vynikají svými mechanickými, elektrickými, tepelnými, optickými, elektrochemickými a/nebo katalytickými vlastnostmi.
Díky mimořádně vysokému poměru povrchu k objemu vyztužující fáze a/nebo mimořádně vysokému poměru stran jsou nanokompozity výrazně výkonnější než konvenční kompozity. K vyztužení se často používají nanočástice, jako je sférický oxid křemičitý, minerální vrstvy, jako je exfoliovaný grafen nebo jíl, nebo nanovlákna, jako jsou uhlíkové nanotrubice nebo elektrostaticky zvlákňovaná vlákna.
Například uhlíkové nanotrubice se přidávají ke zlepšení elektrické a tepelné vodivosti, nanosilika se používá ke zlepšení mechanických a tepelných vlastností a odolnosti vůči vodě. Jiné druhy nanočástic poskytují zlepšené optické vlastnosti, dielektrické vlastnosti, tepelnou odolnost nebo mechanické vlastnosti, jako je tuhost, pevnost a odolnost vůči korozi a poškození.
Příklady ultrazvukově formulovaných nanokompozitů:
- uhlíkové nanotrubice (CNT) ve vinylesterové matrici
- CNT / uhlíkové cibule / nanodiamanty v kovové matrici z niklu
- CNT v matrici z hořčíkové slitiny
- CNT v matrici z polyvinylalkoholu (PVA)
- vícestěnná uhlíková nanotrubice (MWCNT) v matrici z epoxidové pryskyřice (s methyltetrahydroftalanhydridem (MTHPA) jako tvrdidlem)
- oxid grafenu v matrici z poly(vinylalkoholu) (PVA)
- nanočástice SiC v hořčíkové matrici
- nanosilika (Aerosil) v polystyrenové matrici
- magnetický oxid železa v matrici z flexibilního polyuretanu (PU)
- oxid niklu v grafitu/poly(vinylchloridu)
- nanočástice oxidu titaničitého v matrici z kyseliny poly(mléčné-co-glykolové) (PLGA)
- nanohydroxyapatit v matrici z kyseliny poly(mléčné-co-glykolové) (PLGA)
Ultrazvuková disperze
Parametry ultrazvukového procesu lze přesně řídit a optimálně přizpůsobit složení materiálu a požadované kvalitě výstupu. Ultrazvuková disperze je doporučenou technikou pro začlenění nanočástic, jako jsou CNT nebo grafen, do nanokompozitů. Ultrazvuková disperze a formulace nanokompozitů, dlouhodobě testovaná na vědecké úrovni a zavedená v mnoha průmyslových výrobních závodech, je osvědčenou metodou. Dlouholeté zkušenosti společnosti Hielscher s ultrazvukovým zpracováním nanomateriálů zaručují odborné poradenství, doporučení vhodné ultrazvukové sestavy a pomoc při vývoji a optimalizaci procesu.
Většinou se vyztužující nanočástice dispergují do matrice během zpracování. Hmotnostní procento (hmotnostní zlomek) přidaného nanomateriálu se pohybuje v nižším rozsahu, např. 0,5% až 5%, protože rovnoměrná disperze dosažená sonikací umožňuje úsporu vyztužujících plniv a vyšší výztužný účinek.
Typickou aplikací ultrazvuku ve výrobě je formulace kompozitu z nanočástic a pryskyřice. Při výrobě vinylesteru vyztuženého CNT se sonikace používá k dispergaci a funkcionalizaci CNT. Tyto CNT-vinylestery se vyznačují zlepšenými elektrickými a mechanickými vlastnostmi.
Klikněte zde a přečtěte si více o disperzi CNT!
Grafen
Grafen nabízí výjimečné fyzikální vlastnosti, vysoký poměr stran a nízkou hustotu. Grafen a oxid grafenu se začleňují do kompozitní matrice za účelem získání lehkých vysokopevnostních polymerů. K dosažení mechanického vyztužení musí být grafenové vrstvy / destičky velmi jemně dispergovány, neboť aglomerované grafenové vrstvy výztužný účinek drasticky omezují.
Vědecký výzkum ukázal, že míra zlepšení závisí převážně na stupni disperze grafenových vrstev v matrici. Požadované účinky poskytuje pouze homogenně dispergovaný grafen. Vzhledem ke své silné hydrofobicitě a van der Waalsovým přitažlivým silám má grafen sklon k agregaci a aglomeraci do vloček ze slabě interagujících monovrstev.
Zatímco běžné disperzní techniky často nedokážou vytvořit homogenní, nepoškozené disperze grafenu, vysoce výkonné sonikátory vytvářejí vysoce kvalitní disperze grafenu. Sonikátory Hielscher bez potíží zpracovávají čistý grafen, oxid grafenu a redukovaný oxid grafenu od nízkých po vysoké koncentrace a od malých po velké objemy. Běžně používaným rozpouštědlem je N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), ale s vysoce výkonným ultrazvukem lze grafen dispergovat dokonce i ve špatných rozpouštědlech s nízkým bodem varu, jako je aceton, chloroform, IPA a cyklohexanon.
Klikněte zde a přečtěte si více o velkoobjemové exfoliaci grafenu!
Uhlíkové nanotrubice a další nanomateriály
Je prokázáno, že výkonový ultrazvuk vede k jemným disperzím různých nanomateriálů včetně uhlíkových nanotrubic (CNT), SWNT, MWNT, fullerenů, oxidu křemičitého (SiO2), oxidu titaničitého (TiO2), stříbra (Ag), oxidu zinečnatého (ZnO), nanofibrilované celulózy a mnoha dalších. Obecně sonikace překonává konvenční dispergační zařízení a může dosáhnout jedinečných výsledků.
Kromě mletí a dispergace nanočástic se vynikajících výsledků dosahuje syntézou nanočástic ultrazvukovým srážením (syntéza bottom-up). Bylo pozorováno, že velikost částic, např. ultrazvukově syntetizovaného magnetitu, molybdenanu sodno-zinečnatého a dalších, je menší ve srovnání s velikostí získanou konvenční metodou. Menší velikost se připisuje zvýšené rychlosti nukleace a lepším vzorcům míšení díky smyku a turbulenci generovaným ultrazvukovou kavitací.
Klikněte zde a zjistěte více o ultrazvukovém srážení bottom-up!
Ultrazvuková funkcionalizace částic
Specifický povrch částice se zvětšuje se zmenšováním její velikosti. Zejména v nanotechnologii se projev materiálových vlastností výrazně zesiluje díky zvětšenému povrchu částice. Povrch lze ultrazvukem zvětšit a modifikovat navázáním vhodných funkčních molekul na povrch částic. Z hlediska aplikace a použití nanomateriálů jsou povrchové vlastnosti stejně důležité jako vlastnosti jádra částice.
Ultrazvukově funkcionalizované částice se široce používají v polymerech, kompozitech a biokompozitech, nanokapalinách, sestavených zařízeních, nanoléčivech atd. Funkcionalizací částic se drasticky zlepšují vlastnosti jako stabilita, pevnost a tuhost, rozpustnost, polydisperzita, fluorescence, magnetismus, superparamagnetismus, optická absorpce, vysoká elektronová hustota, fotoluminiscence atd.
Mezi běžné částice, které jsou komerčně funkcionalizovány ultrazvukovými systémy Hielscher, patří CNT, SWNT, MWNT, grafen, grafit, oxid křemičitý (SiO2), nanodiamanty, magnetit (oxid železa, Fe3O4), nanočástice stříbra, nanočástice zlata, porézní a mezoporézní nanočástice atd.
Klikněte zde a prohlédněte si vybrané aplikační poznámky k ultrazvukovému zpracování částic!
Ultrazvukové dispergátory
Ultrazvuková dispergační zařízení Hielscher jsou k dispozici pro laboratoř, stolní použití i průmyslovou výrobu. Sonikátory Hielscher jsou spolehlivé, robustní a snadno se obsluhují i čistí. Zařízení je navrženo pro provoz 24/7 v náročných podmínkách. Ultrazvukové systémy lze použít pro vsádkové i inline zpracování – flexibilně a snadno přizpůsobitelné vašemu procesu a požadavkům.
Kapacity ultrazvukového vsádkového a inline zpracování
| Objem vsádky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 5 až 200mL | 50 až 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 až 2L | 0,25 až 2m3/h | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 až 10L | 1 až 8m3/h | UIP4000 |
| n.a. | 4 až 30m3/h | UIP16000 |
| n.a. | nad 30m3/h | klastr UIP10000 nebo UIP16000 |
Ultrazvukové laboratorní zařízení pro funkcionalizaci částic
Literatura a reference
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): „Studium účinnosti inhibice koroze pomocí ultrazvukově připraveného nanopigmentu molybdenanu sodno-zinečnatého ve dvousložkovém epoxid-polyamidovém nátěru. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Příprava nových magnetických nanokompozitů z polyuretanové pěny s využitím nanočástic se strukturou jádro–plášť. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Příprava kompozitního materiálu oxid grafenu–polystyren. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.
Fakta, která stojí za to znát
O kompozitních materiálech
Kompozitní materiály (známé také jako kompoziční materiál) jsou popisovány jako materiál vyrobený ze dvou nebo více složek, které se vyznačují výrazně odlišnými fyzikálními nebo chemickými vlastnostmi. Při spojení těchto složek vzniká nový materiál – tzv. kompozit –, který vykazuje jiné vlastnosti než jednotlivé složky. Jednotlivé složky zůstávají v hotové struktuře oddělené a odlišitelné.
Nový materiál má lepší vlastnosti, např. je pevnější, lehčí, odolnější nebo levnější ve srovnání s konvenčními materiály. Zlepšení nanokompozitů sahají od mechanických, elektrických / vodivostních, tepelných, optických a elektrochemických až po katalytické vlastnosti.
Mezi typické technické kompozitní materiály patří:
- biokompozity
- vyztužené plasty, jako je polymer vyztužený vlákny
- kovové kompozity
- keramické kompozity (kompozity s keramickou matricí a s kovovou matricí)
Kompozitní materiály se obecně používají pro stavební a konstrukční materiály, jako jsou trupy lodí, pracovní desky, karoserie automobilů, vany, skladovací nádrže, imitace žuly a umyvadla z litého mramoru, a také v kosmických a leteckých prostředcích.
Kompozity mohou také využívat kovová vlákna vyztužující jiné kovy, jako v kompozitech s kovovou matricí (MMC) nebo kompozitech s keramickou matricí (CMC), mezi něž patří kost (hydroxyapatit vyztužený kolagenovými vlákny), cermet (keramika a kov) a beton.
Mezi kompozity s organickou matricí a keramickým kamenivem patří asfaltový beton, polymerbeton, litý asfalt, mastic roller hybrid, dentální kompozit, syntaktická pěna a perleť.
O účincích ultrazvuku na částice
Vlastnosti částic lze pozorovat, když se velikost částic zmenší na určitou úroveň (známou jako kritická velikost). Když rozměry částic dosáhnou nanometrové úrovně, interakce na fázových rozhraních se výrazně zlepšují, což je klíčové pro zlepšení vlastností materiálů. Přitom je nejvýznamnější poměr plocha povrchu : objem u materiálů, které se používají k vyztužení v nanokompozitech. Nanokompozity nabízejí technologické a ekonomické výhody pro téměř všechna průmyslová odvětví, včetně leteckého a kosmického, automobilového, elektronického, biotechnologického, farmaceutického a lékařského sektoru. Další velkou výhodou je jejich šetrnost k životnímu prostředí.
Výkonový ultrazvuk zlepšuje smáčivost a homogenizaci mezi matricí a částicemi díky intenzivnímu míchání a dispergaci – generovaným ultrazvukovou kavitací. Jelikož je sonikace nejrozšířenější a nejúspěšnější metodou disperze nanomateriálů, jsou ultrazvukové systémy Hielscher instalovány v laboratořích, poloprovozech a výrobě po celém světě.