Ultrazvukové formulace vyztužených kompozitů
- Kompozity vykazují jedinečné materiálové vlastnosti, jako je výrazně zvýšená tepelná stabilita, modul pružnosti, pevnost v tahu, pevnost v lomu, a proto jsou široce používány při výrobě různých produktů.
- Je prokázáno, že sonikace produkuje vysoce kvalitní nanokompozity s vysoce dispergovanými CNT, grafenem atd.
- Ultrazvukové zařízení pro formulaci vyztužených kompozitů je k dispozici v průmyslovém měřítku.
nanokompozity
Nanokompozity vynikají svými mechanickými, elektrickými, tepelnými, optickými, elektrochemickými a/nebo katalytickými vlastnostmi.
Díky výjimečně vysokému poměru povrchu k objemu výztužné fáze a/nebo výjimečně vysokému poměru stran jsou nanokompozity výrazně výkonnější než konvenční kompozity. Pro vyztužení se často používají nanočástice, jako je sférický oxid křemičitý, minerální desky, jako je exfoliovaný grafen nebo jíl, nebo nanovlákna, jako jsou uhlíkové nanotrubice nebo elektrostaticky zvlákňovaná vlákna.
Například uhlíkové nanotrubice se přidávají pro zlepšení elektrické a tepelné vodivosti, nano oxid křemičitý se používá ke zlepšení mechanických, tepelných a voděodolných vlastností. Jiné druhy nanočástic poskytují vylepšené optické vlastnosti, dielektrické vlastnosti, tepelnou odolnost nebo mechanické vlastnosti, jako je tuhost, pevnost a odolnost proti korozi a poškození.
Příklady pro ultrazvukem formulované nanokompozity:
- uhlíkové nanotrubice (CNT) v matrici vinylesteru
- CNT / uhlíková cibule / nano diamanty v niklové kovové matrici
- CNT v matrici ze slitiny hořčíku
- CNT v matrici z polyvinylalkoholu (PVA)
- vícestěnné uhlíkové nanotrubice (MWCNT) v matrici z epoxidové pryskyřice (s použitím methyltetrahydroftalanhydridu (MTHPA) jako vytvrzovacího činidla)
- oxid grafenu v polyvinylalkoholové (PVA) matrici
- Nanočástice SiC v hořčíkové matrici
- nano oxid křemičitý (Aerosil) v polystyrénové matrici
- magnetický oxid železa v pružné polyuretanové (PU) matrici
- Oxid nikelnatý v grafitu/poly(vinylchloridu)
- nanočástice titanu v matrici kyseliny polymléčné a ko-glykolové (PLGA)
- nano hydroxyapatit v matrici kyseliny polymléčné a ko-glykolové (PLGA)
Ultrazvuková disperze
Ultrazvukové procesní parametry lze přesně řídit a optimálně přizpůsobit složení materiálu a požadované kvalitě výstupu. Ultrazvuková disperze je doporučená technika pro začlenění nanočástic, jako jsou CNT nebo grafen, do nanokompozitů. Dlouhodobě testováno na vědecké úrovni a implementováno v mnoha průmyslových výrobních závodech, ultrazvuková disperze a formulace nanokompozitů je dobře zavedenou metodou. Dlouholeté zkušenosti společnosti Hielscher s ultrazvukovým zpracováním nanomateriálů zajišťují hluboké poradenství, doporučení vhodného ultrazvukového nastavení a pomoc při vývoji a optimalizaci procesu.
Výztužné nanočástice jsou většinou během zpracování dispergovány do matrice. Hmotnostní procento (hmotnostní zlomek) přidaného nanomateriálu se pohybuje v nižším měřítku, např. 0,5% až 5%, protože rovnoměrná disperze dosažená sonikací umožňuje úsporu výztužných plniv a vyšší výkon výztuže.
Typickou aplikací ultrazvuku při výrobě je formulace kompozitu nanočástic a pryskyřice. K výrobě vinylesteru vyztuženého CNT se sonikace používá k disperzi a funkcionalizaci CNT. Tyto CNT-vinylestery se vyznačují zlepšenými elektrickými a mechanickými vlastnostmi.
Klikněte zde a přečtěte si více o disperzi CNT!
Ultrazvukem funkcionalizovaná nanočástice
Ultrazvukové zařízení UIP1500hd řekl: s průtočným reaktorem
grafen
Grafen nabízí výjimečné fyzikální vlastnosti, vysoký poměr stran a nízkou hustotu. Grafen a oxid grafenu jsou integrovány do kompozitní matrice, aby se získaly lehké polymery s vysokou pevností. Aby bylo dosaženo mechanického vyztužení, musí být grafenové desky / desky velmi jemně dispergovány, u aglomerovaných grafenových desek se výztužný efekt drasticky omezuje.
Vědecký výzkum ukázal, že velikost zlepšení je většinou závislá na disperzním stupni grafenových listů v matrici. Pouze homogenně dispergovaný grafen poskytuje požadované účinky. Díky své silné hydrofobnosti a van der Waalsově přitažlivosti je grafen náchylný k agregaci a aglomeraci do vloček slabě interagujících jednovrstvých listů.
Zatímco běžné disperzní techniky často nemohou produkovat homogenní, nepoškozené grafenové disperze, vysoce výkonné ultrasonicators produkují vysoce kvalitní grafenové disperze. Hielscherovy ultrasonicators zvládají nedotčený grafen, oxid grafenu a redukovaný oxid grafenu od nízké po vysokou koncentraci a od malých po velké objemy bez problémů. Běžně používaným rozpouštědlem je N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), ale s ultrazvukem s vysokým výkonem může být grafen dokonce dispergován v chudých rozpouštědlech s nízkým bodem varu, jako je aceton, chloroform, IPA a cyklohexanon.
Klikněte zde a přečtěte si více o hromadné exfoliaci grafenu!
Uhlíkové nanotrubice a další nano materiály
Je prokázáno, že výkonový ultrazvuk vede k jemným disperzím různých nanomateriálů, včetně uhlíkových nanotrubic (CNT), SWNT, MWNT, fullerenů, oxidu křemičitého (SiO2), oxid titaničitý (TiO2), stříbro (Ag), oxid zinečnatý (ZnO), nanofibrilová celulóza a mnoho dalších. Obecně platí, že sonikace překonává konvenční dispergátory a může dosáhnout jedinečných výsledků.
Kromě mletí a dispergace nanočástic se vynikajících výsledků dosahuje syntézou nanočástic pomocí ultrazvukového srážení (syntéza zdola nahoru). Bylo pozorováno, že velikost částic, např. ultrazvukem syntetizovaného magnetitu, molybdenanu zinečnatého sodíku a dalších, je nižší ve srovnání s velikostí získanou konvenční metodou. Nižší velikost je přičítána zvýšené rychlosti nukleace a lepším vzorům míchání v důsledku smyku a turbulence generované ultrazvukovou kavitací.
Klikněte zde a dozvíte se více o ultrazvukových srážkách zdola nahoru!
Ultrazvuková funkcionalizace částic
Specifický povrch částice se zvětšuje se zmenšováním velikosti. Zejména v nanotechnologiích se exprese materiálových charakteristik výrazně zvyšuje zvětšením povrchu částice. Povrch může být ultrazvukově zvětšen a modifikován připojením vhodných funkčních molekul na povrch částic. Pokud jde o aplikaci a použití nanomateriálů, vlastnosti povrchu jsou stejně důležité jako vlastnosti jádra částic.
Ultrazvukem funkcionalizované částice jsou široce používány v polymerech, kompozitech & biokompozity, nanofluidy, sestavená zařízení, nanoléčiva atd. Funkcionalizací částic jsou vlastnosti, jako je stabilita, pevnost & Tuhost, rozpustnost, polydisperzita, fluorescence, magnetismus, superparamagnetismus, optická absorpce, vysoká elektronová hustota, fotoluminiscence atd. jsou drasticky vylepšeny.
Běžné částice, které jsou komerčně funkcionalizovány s Hielscher’ ultrazvukové systémy zahrnují CNT, SWNT, MWNTs, grafen, grafit, oxid křemičitý (SiO2), nanodiamanty, magnetit (oxid železa, Fe3O4), nanočástice stříbra, nanočástice zlata, porézní & mezoporézní nanočástice atd.
Klikněte zde pro zobrazení vybraných aplikačních poznámek pro ošetření ultrazvukovými částicemi!
Ultrazvukové dispergátory
Hielscherovo ultrazvukové dispergační zařízení je k dispozici pro laboratorní, stolní a průmyslovou výrobu. Hielscherovy ultrasonicators jsou spolehlivé, robustní, snadno ovladatelné a čisté. Zařízení je určeno pro provoz 24/7 v náročných podmínkách. Ultrazvukové systémy lze použít pro dávkové a inline zpracování – Flexibilní a snadno přizpůsobitelné vašemu procesu a požadavkům.
Ultrazvukové dávkové a inline kapacity
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 5 až 200 ml | 50 až 500 ml/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 až 2L | 0.25 až 2m3/Hr | UIP1000hd řekl:, UIP2000hd řekl: |
| 0.4 až 10L | 1 až 8m3/Hr | UIP4000 |
| Není k dispozici | 4 až 30 m3/Hr | UIP16000 |
| Není k dispozici | nad 30m3/Hr | shluk UIP10000 nebo UIP16000 |
Ultrazvukový laboratorní přístroj pro funkcionalizaci částic
Literatura/Odkazy
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Výzkum inhibiční schopnosti ultrazvukem připraveného nanopigmentu molybdenanu sodného a zinečnatého ve dvousložkovém epoxy-polyamidovém povlaku. Kompozitní rozhraní 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M. (2016): Příprava nových magnetických nanokompozitů z polyuretanové pěny pomocí nanočástic jádra a obalu. Polímeros roč.26 č.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Příprava kompozitního materiálu z oxidu grafenu – polystyrenu. 3. mezinárodní konference o životním prostředí, chemii a biologii. IPCBEE sv. 78, 2014.
Fakta, která stojí za to vědět
O kompozitních materiálech
Kompozitní materiály (také známé jako kompozitní materiál) jsou popisovány jako materiál vyrobený ze dvou nebo více složek, které se vyznačují výrazně odlišnými fyzikálními nebo chemickými vlastnostmi. Když se tyto základní materiály zkombinují, vznikne nový materiál – tzv. kompozitní – který vykazuje odlišné vlastnosti od jednotlivých komponent. Jednotlivé komponenty zůstávají oddělené a odlišné v rámci hotové struktury.
Nový materiál má lepší vlastnosti, např. je pevnější, lehčí, odolnější nebo levnější ve srovnání s konvenčními materiály. Vylepšení nanokompozitů sahají od mechanických, elektrických / vodivých, tepelných, optických, elektrochemických až po katalytické vlastnosti.
Mezi typické kompozitní materiály patří:
- Biokompozity
- vyztužené plasty, jako je polymer vyztužený vlákny
- kovové kompozity
- keramické kompozity (keramická matrice a kompozit s kovovou matricí)
Kompozitní materiály se obecně používají pro stavební a konstrukční materiály, jako jsou trupy lodí, pracovní desky, karoserie automobilů, vany, skladovací nádrže, dřezy z imitace žuly a umělého mramoru, stejně jako v kosmických lodích a letadlech.
Kompozity mohou také používat kovová vlákna vyztužující jiné kovy, jako je tomu u kompozitů s kovovou matricí (MMC) nebo kompozitů s keramickou matricí (CMC), které zahrnují kost (hydroxyapatit vyztužený kolagenovými vlákny), cermet (keramika a kov) a beton.
Kompozity s organickou matricí a keramickým kamenivem zahrnují asfaltový beton, polymerbeton, litý asfalt, hybridní tmelový váleček, dentální kompozit, syntaktickou pěnu a perleť.
O ultrazvukových účincích na částice
Vlastnosti částic lze pozorovat, když je velikost částic snížena na určitou úroveň (známou jako kritická velikost). Když rozměry částic dosáhnou nanometrové úrovně, interakce na fázových rozhraních se výrazně zlepší, což je zásadní pro zlepšení vlastností materiálů. Přitom je nejvýznamnější poměr povrchu k objemu materiálů, které se v nanokompozitech používají pro vyztužení. Nanokompozity nabízejí technologické a ekonomické výhody pro téměř všechna odvětví průmyslu, včetně leteckého, automobilového, elektronického, biotechnologického, farmaceutického a lékařského sektoru. Další velkou výhodou je jejich šetrnost k životnímu prostředí.
Silový ultrazvuk zlepšuje smáčivost a homogenizaci mezi matricí a částicemi díky intenzivnímu míchání a dispergaci – generované Ultrazvuková kavitace. Vzhledem k tomu, že sonikace je nejpoužívanější a nejúspěšnější disperzní metodou, pokud jde o nanomateriály, jsou ultrazvukové systémy Hielscher instalovány v laboratoři, pilotním závodě a výrobě po celém světě.