Fordelagtig hydrogelproduktion via ultralydbehandling

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

Ultralydspolymerisation og dispersion til hydrogelproduktion

Hydrogeler er hydrofile, tredimensionelle polymere netværk, der er i stand til at absorbere store mængder vand eller væsker. Hydrogeler udviser en ekstraordinær hævelseskapacitet. Almindelige byggesten i hydrgeler omfatter polyvinylalkohol, polyethylenglycol, natriumpolyacrylat, acrylatpolymerer, carbomerer, polysaccharider eller polypeptider med et stort antal hydrofile grupper og naturlige proteiner såsom kollagen, gelatine og fibrin.
Såkaldte hybridhydrogeler består af forskellige kemisk, funktionelt og morfologisk forskellige materialer, såsom proteiner, peptider eller nano- / mikrostrukturer.
Ultralydsdispersion anvendes i vid udstrækning som en yderst effektiv og pålidelig teknik til homogenisering af nanomaterialer såsom kulstofnanorør (CNT'er, MWCNT'er, SWCNT'er), cellulose-nanokrystaller, chitin nanofibre, titandioxid, sølv nanopartikler, proteiner og andre mikron- eller nanostrukturer i den polymere matrix af hydrogeler. Dette gør sonikering til et hovedværktøj til fremstilling af højtydende hydrogeler med ekstraordinære kvaliteter.

Hvad forskning viser – Ultralyd hydrogel forberedelse

For det første fremmer ultralydbehandling polymerisation og tværbindingsreaktioner under hydrogeldannelse.
For det andet har ultralydbehandling vist sig at være pålidelig og effektiv dispersionsteknik til produktion af hydrogeler og nanokomposithydrogeler.

Ultralydstværbinding og polymerisation af hydrogeler

Ultralydbehandling hjælper dannelsen af polymere netværk under hydrogelsyntese via generering af frie radikaler. Intense ultralydsbølger genererer akustisk kavitation, som forårsager høje forskydningskræfter, molekylær forskydning og dannelse af frie radikaler.

Cass et al. (2010) forberedte flere "akrylhydrogeler blev fremstillet via ultralydspolymerisation af vandopløselige monomerer og makromonomerer. Ultralyd blev brugt til at skabe initierende radikaler i tyktflydende vandige monomeropløsninger ved hjælp af tilsætningsstofferne glycerol, sorbitol eller glucose i et åbent system ved 37 °C. De vandopløselige tilsætningsstoffer var essentielle for hydrogelproduktionen, glycerol var den mest effektive. Hydrogeler blev fremstillet af monomererne 2-hydroxyethylmethacrylat, poly(ethylenglycol)dimethacrylat, dextranmethacrylat, acrylsyre/ethylenglycoldimethacrylat og acrylamid/bis-acrylamid." [Cass et al. 2010] Ultralydsapplikation ved hjælp af en sonde ultralydsapparat viste sig at være en effektiv metode til polymerisation af vandopløselige vinylmonomerer og den efterfølgende fremstilling af hydrogeler. Den ultralydsinitierede polymerisation sker hurtigt i fravær af en kemisk initiator.
Find den fulde protokol for undersøgelsen her!
 

Læs mere om ultralydsyntese af nanokomposithydrogeler og nanogeler!

Ultralydbehandling er kompatibel med alle slags polymerer og biopolymerer og gør det muligt at forstærke hybridhydrogeler med nanostrukturerede materialer såsom nanopartikler, nanokrystaller eller nanofibre. Forstærkelse af hydrogeler med forskellige nanomaterialer gør det muligt at modificere og kontrollere fysisk-kemiske og reo-mekaniske egenskaber af nanokomposithydrogeler, da mikrostrukturerne er nøglefaktoren for de opnåede materialeegenskaber.

Fremstilling af poly(acrylamid-co-itaconic syre) – MWCNT Hydrogel ved hjælp af sonikering

Mohammadinezhada et al. (2018) producerede med succes en superabsorberende hydrogelkomposit indeholdende poly(acrylamid-co-itaconic acid) og flervæggede kulstofnanorør (MWCNT'er). Ultralydbehandling blev udført med Hielscher ultralydsenheden UP200S. Hydrogelens stabilitet steg med stigende MWCNT-forhold, hvilket kan tilskrives MWCNT'ernes hydrofobe karakter samt stigningen i tværbindertætheden. Vandbindingskapaciteten (WRC) for P(AAm-co-IA) hydrogelen blev også øget i nærvær af MWCNT (10 vægt%). I denne undersøgelse blev virkningerne af ultralydbehandling vurderet som overlegne med hensyn til den ensartede fordeling af kulstofnanorørene på polymeroverfladen. MWCNT'erne var intakte uden nogen afbrydelse i den polymere struktur. Derudover blev styrken af det opnåede nanokomposit og dets vandbindingskapacitet og absorptionen af andre opløselige materialer som Pb (II) øget. Sonikering brød initiatoren og spredte MWCNT'erne som et fremragende fyldstof i polymerkæderne under stigende temperatur.
Forskerne konkluderer, at disse "reaktionsbetingelser ikke kan opnås ved hjælp af konventionelle metoder, og homogenitet og god spredning af partikler i værten kan ikke opnås. Derudover adskille sonikeringsproces nanopartikler i en enkelt partikel, mens omrøring ikke kan gøre dette. En anden mekanisme til størrelsesreduktionen er effekten af kraftige akustiske bølger på de sekundære bindinger som hydrogenbinding, som denne bestråling bryder H-bindingen af partikler og efterfølgende dissocierer de aggregerede partikler og øger antallet af frie adsorptive grupper som -OH og tilgængelighed. Således gør denne vigtige hændelse sonikeringsproces som en overlegen metode i forhold til de andre som magnetisk omrøring anvendt i litteraturen." [Mohammadinezhada et al., 2018]

Højtydende ultralydapparater til hydrogelsyntese

Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydsudstyr til syntese af hydrogeler. Fra lille og mellemstor R&D og pilot ultralydapparater til industrielle systemer til kommerciel hydrogelfremstilling i kontinuerlig tilstand, Hielscher Ultrasonics har dine proceskrav dækket.
Ultralydapparater af industriel kvalitet kan levere meget høje amplituder, hvilket giver mulighed for pålidelige tværbindings- og polymerisationsreaktioner og ensartet spredning af nanopartikler. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7/365 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige.

Spørg os i dag om yderligere teknisk information, priser og et uforpligtende tilbud. Vores mangeårige erfarne personale er glade for at konsultere dig!
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: