Ultralydsformulering af forstærkede kompositter
- Kompositter udviser unikke materialeegenskaber såsom betydeligt forbedret termostabilitet, elasticitetsmodul, trækstyrke, brudstyrke og anvendes derfor i vid udstrækning til fremstilling af mangfoldige produkter.
- Sonikering har vist sig at producere nanokompositter af høj kvalitet med stærkt dispergerede CNT'er, grafen osv.
- Ultralydsudstyr til formulering af forstærkede kompositter er tilgængeligt i industriel skala.
nanokompositter
Nanokompositter udmærker sig ved deres mekaniske, elektriske, termiske, optiske, elektrokemiske og/eller katalytiske egenskaber.
På grund af deres usædvanligt høje overflade-til-volumen-forhold i forstærkningsfasen og/eller deres usædvanligt høje billedformat er nanokompositter betydeligt mere effektive end konventionelle kompositter. Nanopartikler såsom sfærisk silica, mineralplader såsom eksfolieret grafen eller ler eller nanofibre såsom kulstofnanorør eller elektrospundne fibre bruges ofte til forstærkning.
For eksempel tilsættes kulstofnanorør for at forbedre den elektriske og termiske ledningsevne, nanosilica bruges til at forbedre mekaniske, termiske og vandbestandige egenskaber. Andre former for nanopartikler giver forbedrede optiske egenskaber, dielektriske egenskaber, varmebestandighed eller mekaniske egenskaber såsom stivhed, styrke og modstandsdygtighed over for korrosion og skader.
Eksempler på ultralydsformulerede nanokompositter:
- Kulstofnanorør (CNT) i en vinylestermatrix
- CNT'er / kulstofløg / nanodiamanter i en nikkelmetalmatrix
- CNT'er i en matrix af magnesiumlegering
- CNT'er i en polyvinylalkoholmatrix (PVA)
- flervægget kulstofnanorør (MWCNT) i en epoxyharpiksmatrix (ved hjælp af methyltetrahydrophthalanhydrid (MTHPA) som hærdningsmiddel)
- grafenoxid i en poly(vinylalkohol) (PVA) matrix
- SiC-nanopartikler i en magnesiummatrix
- nanosilica (Aerosil) i en polystyrenmatrix
- magnetisk jernoxid i en fleksibel polyurethan (PU) matrix
- nikkeloxid i grafit/poly(vinylchlorid)
- titania nanopartikler i en poly-lactic-co-glycolsyre (PLGA) matrix
- nanohydroxyapatit i en poly-lactisk-co-glykolsyre (PLGA) matrix
Ultralyd dispersion
Ultralydsprocesparametre kan styres nøjagtigt og tilpasses optimalt til materialesammensætning og ønsket outputkvalitet. Ultralydsdispersion er den anbefalede teknik til at inkorporere nanopartikler såsom CNT'er eller grafen i nanokompositter. Lang tid testet på videnskabeligt niveau og implementeret på mange industrielle produktionsanlæg, ultralydsdispersion og formulering af nanokompositter er en veletableret metode. Hielschers lange erfaring med ultralydsbehandling af nanomaterialer sikrer en dybtgående rådgivning, anbefaling af en passende ultralydsopsætning og assistance under procesudvikling og optimering.
For det meste spredes de forstærkende nanopartikler i matrixen under behandlingen. Vægtprocenten (massefraktion) af det tilsatte nanomateriale i den lavere skala, f.eks. 0,5% til 5%, da den ensartede dispersion opnået ved sonikering giver mulighed for at gemme forstærkende fyldstoffer og højere forstærkningsydelse.
En typisk anvendelse af ultralyd i fremstillingen er formuleringen af nanopartikelharpikskomposit. For at fremstille CNT-forstærket vinylester bruges sonikering til at sprede og funktionalisere CNT'er. Disse CNT-vinylestere er kendetegnet ved forbedrede elektriske og mekaniske egenskaber.
Klik her for at læse mere om spredningen af CNT'er!
grafen
Grafen tilbyder exceptionelle fysiske egenskaber, et højt billedformat og lav tæthed. Grafen og grafenoxid er integreret i en sammensat matrix for at opnå lette polymerer med høj styrke. For at opnå den mekaniske forstærkning skal grafenpladerne/blodpladerne være meget fint spredte, for agglomererede grafenplader begrænser forstærkelseseffekten drastisk.
Videnskabelig forskning har vist, at forbedringens størrelse for det meste afhænger af spredningsgraden af grafenarkene i matrixen. Kun homogent dispergeret grafen giver de ønskede effekter. På grund af sin stærke hydrofobicitet og van der Waals-tiltrækning er grafen tilbøjelig til at aggregere og agglomerere til flager af svagt interagerende enkeltlagsplader.
Mens almindelige dispersionsteknikker ofte ikke kan producere homogene, ubeskadigede grafendispersioner, producerer ultralydapparater med høj effekt grafendispersioner af høj kvalitet. Hielschers ultralydapparater håndterer uberørt grafen, grafenoxid og reduceret grafenoxid fra lav til høj koncentration og fra små til store mængder problemfrit. Et almindeligt anvendt opløsningsmiddel er N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), men med ultralyd med høj effekt kan grafen endda dispergeres i dårlige opløsningsmidler med lavt kogepunkt såsom acetone, chloroform, IPA og cyclohexanon.
Klik her for at læse mere om bulkeksfoliering af grafen!
Kulstofnanorør og andre nanomaterialer
Ultralyd har vist sig at resultere i dispersioner af forskellige nanomaterialer i fin størrelse, herunder kulstofnanorør (CNT'er), SWNT'er, MWNT'er, fullerener, silica (SiO2), titandioxid (TiO2), sølv (Ag), zinkoxid (ZnO), nanofibrilleret cellulose og mange andre. Generelt overgår sonikering konventionelle dispergeringsmidler og kan opnå unikke resultater.
Udover fræsning og dispergering af nanopartikler opnås fremragende resultater ved at syntetisere nanopartikler via ultralydsudfældning (bottom-up syntese). Det er blevet observeret, at partikelstørrelsen, f.eks. af ultralydssyntetiseret magnetit, natriumzinkmolybdat og andre, er lavere sammenlignet med den, der opnås ved hjælp af den konventionelle metode. Den lavere størrelse tilskrives den forbedrede kimdannelseshastighed og bedre blandingsmønstre på grund af forskydning og turbulens genereret af ultralydskavitation.
Klik her for at lære mere om ultralydsnedbør nedefra og op!
Ultralydspartikelfunktionalisering
Det specifikke overfladeareal af en partikel øges med reduktion af størrelsen. Især inden for nanoteknologi øges udtrykket af materialeegenskaber betydeligt ved forstørret overfladeareal af partiklen. Overfladearealet kan øges og modificeres ultralyd ved at fastgøre passende funktionelle molekyler på partikeloverfladen. Med hensyn til anvendelse og anvendelse af nanomaterialer er overfladeegenskaber lige så vigtige som partikelkerneegenskaber.
Ultralydfunktionaliserede partikler anvendes i vid udstrækning i polymerer, kompositter & biokompositter, nanofluider, sammensatte enheder, nanomedicin osv. Ved partikelfunktionalisering kan egenskaber som stabilitet, styrke & stivhed, opløselighed, polydispersitet, fluorescens, magnetisme, superparamagnetisme, optisk absorption, høj elektrontæthed, fotoluminiscens osv. forbedres drastisk.
Almindelige partikler, der er kommercielt funktionaliserede med Hielscher’ ultralydssystemer inkluderer CNT'er, SWNT'er, MWNT'er, grafen, grafit, silica (SiO2), nanodiamanter, magnetit (jernoxid, Fe3O4), sølv nanopartikler, guld nanopartikler, porøse & mesoporøse nanopartikler osv.
Klik her for at se udvalgte applikationsnoter til ultralydspartikelbehandling!
ultralyd dispergeringsmidler
Hielschers ultralydsdispergeringsudstyr er tilgængeligt til laboratorie-, bord- og industriel produktion. Hielschers ultralydapparater er pålidelige, robuste, nemme at betjene og rengøre. Udstyret er designet til 24/7 drift under tunge forhold. Ultralydssystemerne kan bruges til batch- og inline-behandling – Fleksibel og let at tilpasse til din proces og dine krav.
Ultralyd batch- og inline-kapaciteter
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 5 til 200 ml | 50 til 500 ml/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 til 2L | 0.25 til 2m3/Hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 til 10L | 1 til 8m3/Hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 til 30 m3/Hr | UIP16000 |
| n.a. | over 30 m3/Hr | klynge af UIP10000 eller UIP16000 |
Ultralydslaboratorieenhed til partikelfunktionalisering
Litteratur/Referencer
- Kapole, S.A.; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Undersøgelse af korrosionshæmningsevnen af ultralydsfremstillet natriumzinkmolybdat nanopigment i to-pak epoxy-polyamidbelægning. Sammensatte grænseflader 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M. (2016): Fremstilling af nye magnetiske polyurethanskum-nanokompositter ved hjælp af kerne-skal nanopartikler. Polímeros vol.26 nr.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Fremstilling af kompositmateriale af grafenoxid-polystyren. 3. internationale konference om miljø, kemi og biologi. IPCBEE vol.78, 2014.
Fakta, der er værd at vide
Om kompositmaterialer
Kompositmaterialer (også kendt som sammensætningsmateriale) beskrives som et materiale fremstillet af to eller flere bestanddele, der er kendetegnet ved signifikant forskellige fysiske eller kemiske egenskaber. Når disse materialer kombineres, kan et nyt materiale – Den såkaldte komposit – produceres, som viser forskellige egenskaber fra de enkelte komponenter. De enkelte komponenter forbliver adskilte og adskilte i den færdige struktur.
Det nye materiale har bedre egenskaber, f.eks. er det stærkere, lettere, mere modstandsdygtigt eller billigere i forhold til konventionelle materialer. Forbedringer af nanokompositter spænder fra mekaniske, elektriske / ledende, termiske, optiske, elektrokemiske til katalytiske egenskaber.
Typiske konstruerede kompositmaterialer omfatter:
- Bio-kompositter
- forstærket plast, såsom fiberforstærket polymer
- Metal kompositter
- keramiske kompositter (keramisk matrix og metalmatrixkomposit)
Kompositmaterialer bruges generelt til at bygge og strukturere materialer såsom bådskrog, bordplader, karosserier, badekar, lagertanke, imiteret granit og dyrkede marmorvaske samt i rumfartøjer og fly.
Kompositter kan også bruge metalfibre, der forstærker andre metaller, som i metalmatrixkompositter (MMC) eller keramiske matrixkompositter (CMC), som omfatter knogler (hydroxyapatit forstærket med kollagenfibre), cermet (keramik og metal) og beton.
Organiske matrix/keramiske aggregatkompositter omfatter asfaltbeton, polymerbeton, mastiksasfalt, mastik rullehybrid, dental komposit, syntaktisk skum og perlemors.
Om ultralydseffekter på partikler
Partikelegenskaber kan observeres, når partikelstørrelsen reduceres til et bestemt niveau (kendt som kritisk størrelse). Når partikeldimensionerne når nanometerniveauet, bliver interaktioner ved fasegrænseflader væsentligt forbedret, hvilket er afgørende for at forbedre materialets egenskaber. Derved er forholdet mellem overfladeareal og volumen af materialer, der bruges til forstærkning i nanokompositter, mest betydningsfuldt. Nanokompositter giver teknologiske og økonomiske fordele for næsten alle industrisektorer, herunder luftfarts-, bil-, elektronik-, bioteknologiske, farmaceutiske og medicinske sektorer. En anden stor fordel er deres miljøvenlighed.
Power ultralyd forbedrer fugtbarheden og homogeniseringen mellem matrixen og partiklerne ved dens intense blanding og dispergering – genereret af ultralyd kavitation. Da sonikering er den mest udbredte og mest succesrige dispersionsmetode, når det kommer til nanomaterialer, er Hielschers ultralydssystemer installeret i laboratorium, pilotanlæg og produktion over hele verden.