Fordelagtig produktion af hydrogeler ved hjælp af ultralyd

Sonikering er en yderst effektiv, pålidelig og enkel teknik til fremstilling af højtydende hydrogeler. Disse hydrogeler tilbyder fremragende materialeegenskaber såsom absorptionskapacitet, viskoelasticitet, mekanisk styrke, kompressionsmodul og selvhelende funktioner.

Ultralydspolymerisering og -dispergering til produktion af hydrogeler

Hydrogeler er hydrofile, tredimensionelle polymernetværk, der kan absorbere store mængder vand eller væske. Hydrogeler udviser en ekstraordinær kvældningskapacitet. Almindelige byggesten i hydrogeler omfatter polyvinylalkohol, polyethylenglycol, natriumpolyacrylat, acrylatpolymerer, carbomerer, polysaccharider eller polypeptider med et stort antal hydrofile grupper samt naturlige proteiner såsom kollagen, gelatine og fibrin.
Såkaldte hybridhydrogeler består af forskellige kemisk, funktionelt og morfologisk adskilte materialer såsom proteiner, peptider eller nano- / mikrostrukturer.
Ultralydsdispergering anvendes i vid udstrækning som en yderst effektiv og pålidelig teknik til homogen indarbejdning af nanomaterialer såsom kulstofnanorør (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), cellulosenanokrystaller, kitinnanofibre, titandioxid, sølvnanopartikler, proteiner og andre mikro- eller nanostrukturer i hydrogelernes polymermatrix. Dette gør sonikering til et centralt værktøj til fremstilling af højtydende hydrogeler med ekstraordinære egenskaber.

Hvad forskningen viser – fremstilling af hydrogeler med ultralyd

For det første fremmer ultralyd polymeriserings- og tværbindingsreaktioner under dannelsen af hydrogeler.
For det andet har ultralyd vist sig at være en pålidelig og effektiv dispergeringsteknik til produktion af hydrogeler og nanokomposithydrogeler.

Tværbinding og polymerisering af hydrogeler med ultralyd

Ultralyd understøtter dannelsen af polymernetværk under hydrogelsyntese gennem dannelse af frie radikaler. Intense ultralydsbølger frembringer akustisk kavitation, som medfører store forskydningskræfter, molekylær forskydning og dannelse af frie radikaler.

Cass et al. (2010) fremstillede flere acrylhydrogeler: ”Acrylhydrogeler blev fremstillet ved ultralydspolymerisering af vandopløselige monomerer og makromonomerer. Ultralyd blev anvendt til at danne initierende radikaler i viskøse vandige monomeropløsninger ved hjælp af tilsætningsstofferne glycerol, sorbitol eller glucose i et åbent system ved 37°C. De vandopløselige tilsætningsstoffer var afgørende for produktionen af hydrogeler, og glycerol var det mest effektive. Hydrogeler blev fremstillet af monomererne 2-hydroxyethylmethacrylat, poly(ethylenglycol)dimethacrylat, dextranmethacrylat, acrylsyre/ethylenglycoldimethacrylat og acrylamid/bis-acrylamid.” [Cass et al. 2010] Anvendelse af ultralyd med et ultralydsapparat med sonde viste sig at være en effektiv metode til polymerisering af vandopløselige vinylmonomerer og efterfølgende fremstilling af hydrogeler. Den ultralydsinitierede polymerisering sker hurtigt uden en kemisk initiator.
Find undersøgelsens fulde protokol her!
 

Ultralydsdispergering af pyrogen silica: Hielscher ultralydshomogenisatoren UP400S dispergerer hurtigt og effektivt silicapulver til individuelle nanopartikler.

Læs mere om ultralydssyntese af nanokomposithydrogeler og nanogeler!

Ultralyd er kompatibel med alle typer polymerer og biopolymerer og gør det muligt at forstærke hybridhydrogeler med nanostrukturerede materialer såsom nanopartikler, nanokrystaller eller nanofibre. Forstærkning af hydrogeler med forskellige nanomaterialer gør det muligt at ændre og kontrollere nanokomposithydrogelernes fysisk-kemiske og reomekaniske egenskaber, da mikrostrukturerne er den afgørende faktor for de opnåede materialeegenskaber.

Fremstilling af poly(acrylamid-co-itaconsyre) – MWCNT-hydrogel ved hjælp af sonikering

Mohammadinezhada et al. (2018) fremstillede med succes en superabsorberende hydrogelkomposit, der indeholder poly(acrylamide-co-itaconic acid) og flervæggede kulstofnanorør (MWCNTs). Sonikeringen blev udført med ultralydsapparatet fra Hielscher UP200S. Hydrogelens stabilitet steg med stigende MWCNT-andele, hvilket muligvis kan tilskrives MWCNTs’ hydrofobe karakter samt den øgede tæthed af tværbindingsmidlet. P(AAm-co-IA)-hydrogelens vandtilbageholdelseskapacitet (WRC) blev også øget i tilstedeværelse af MWCNT (10 wt%). I denne undersøgelse blev virkningerne af ultralyd vurderet som overlegne med hensyn til den ensartede fordeling af kulstofnanorørene på polymeroverfladen. MWCNTs var intakte uden nogen forstyrrelse af polymerstrukturen. Desuden blev den opnåede nanokomposits styrke, dens vandtilbageholdelseskapacitet og absorptionen af andre opløselige materialer som Pb (II) øget. Sonikering spaltede initiatoren og dispergerede MWCNTs som et fremragende fyldstof i polymerkæderne under stigende temperatur.
Forskerne konkluderer, at disse ”reaktionsbetingelser ikke kan opnås med konventionelle metoder, og at homogenitet og god dispergering af partiklerne i værtsmaterialet ikke kan opnås. Desuden adskiller sonikeringsprocessen nanopartikler til enkeltpartikler, mens omrøring ikke kan gøre dette. En anden mekanisme til størrelsesreduktion er kraftige akustiske bølgers virkning på sekundære bindinger såsom hydrogenbindinger, idet denne bestråling bryder partiklernes hydrogenbindinger og efterfølgende adskiller de aggregerede partikler og øger antallet af frie adsorptive grupper såsom -OH og tilgængeligheden. Denne vigtige hændelse gør således sonikeringsprocessen til en overlegen metode sammenlignet med andre metoder såsom magnetisk omrøring, der anvendes i litteraturen.” [Mohammadinezhada et al., 2018]

Højtydende ultralydsapparater til hydrogelsyntese

Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydsudstyr til syntese af hydrogeler. Fra små og mellemstore ultralydsapparater til forskning og udvikling og pilotforsøg til industrielle systemer til kommerciel hydrogelproduktion i kontinuerlig drift dækker Hielscher Ultrasonics dine proceskrav.
Ultralydsapparater i industrikvalitet kan levere meget høje amplituder, som muliggør pålidelige tværbindings- og polymeriseringsreaktioner samt ensartet dispergering af nanopartikler. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7/365-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder.

Kontakt os i dag for yderligere tekniske oplysninger, priser og et uforpligtende tilbud. Vores medarbejdere med mange års erfaring rådgiver dig gerne!
Tabellen nedenfor giver dig et overblik over vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Hielscher SonoStation gør det nemt at ultralydsbehandle mellemstore portioner med en gennemstrømningsreaktor. Den kompakte SonoStation kombinerer en 38 liters tank med omrører med en justerbar ekscentersnekkepumpe, der kan tilføre op til 3 liter pr. minut til en eller to ultralydsgennemstrømningsreaktorer.