Formulering af forstærkede kompositter med ultralyd

• Kompositter har unikke materialeegenskaber såsom markant forbedret termisk stabilitet, elasticitetsmodul, trækstyrke og brudstyrke og anvendes derfor i vid udstrækning til fremstilling af mange forskellige produkter.
• Sonikering har vist sig at producere nanokompositter af høj kvalitet med fint dispergerede CNT’er, grafen osv.
• Ultralydsudstyr til formulering af forstærkede kompositter fås i industriel skala.

Nanokompositter

Nanokompositter udmærker sig ved deres mekaniske, elektriske, termiske, optiske, elektrokemiske og/eller katalytiske egenskaber.
På grund af forstærkningsfasens usædvanligt høje forhold mellem overfladeareal og volumen og/eller dens usædvanligt høje aspektforhold yder nanokompositter væsentligt bedre end konventionelle kompositter. Nanopartikler såsom sfærisk silica, mineralske plader såsom eksfolieret grafen eller ler eller nanofibre såsom kulstofnanorør eller elektrospundne fibre anvendes ofte til forstærkning.
For eksempel tilsættes kulstofnanorør for at forbedre den elektriske og termiske ledningsevne, mens nanosilica anvendes til at forbedre mekaniske og termiske egenskaber samt vandbestandigheden. Andre typer nanopartikler giver forbedrede optiske egenskaber, dielektriske egenskaber, varmebestandighed eller mekaniske egenskaber såsom stivhed, styrke og modstandsdygtighed over for korrosion og skader.

Eksempler på nanokompositter formuleret med ultralyd:

• kulstofnanorør (CNT) i en vinylestermatrix
• CNT’er / løgformede kulstofnanostrukturer / nanodiamanter i en nikkelmetalmatrix
• CNT’er i en magnesiumlegeringsmatrix
• CNT’er i en polyvinylalkoholmatrix (PVA)
• flerlaget kulstofnanorør (MWCNT) i en epoxyharpiksmatrix (med methyltetrahydrophthalsyreanhydrid (MTHPA) som hærder)
• grafenoxid i en poly(vinylalkohol)matrix (PVA)
• SiC-nanopartikler i en magnesiummatrix
• nanosilica (Aerosil) i en polystyrenmatrix
• magnetisk jernoxid i en fleksibel polyurethanmatrix (PU)
• nikkeloxid i en grafit/poly(vinylchlorid)
• titandioxidnanopartikler i en poly(mælkesyre-co-glykolsyre)matrix (PLGA)
• nanohydroxyapatit i en poly(mælkesyre-co-glykolsyre)matrix (PLGA)

Dispergering med ultralyd

Ultralydsprocesparametre kan styres præcist og tilpasses optimalt til materialesammensætningen og den ønskede slutproduktkvalitet. Dispergering med ultralyd er den anbefalede teknik til at inkorporere nanopartikler såsom CNT’er eller grafen i nanokompositter. Dispergering og formulering af nanokompositter med ultralyd er en veletableret metode, som gennem lang tid er blevet afprøvet videnskabeligt og implementeret på mange industrielle produktionsanlæg. Hielschers mangeårige erfaring med ultralydsbehandling af nanomaterialer sikrer grundig rådgivning, anbefaling af en egnet ultralydsopstilling og støtte under procesudvikling og optimering.
De forstærkende nanopartikler dispergeres som regel i matricen under behandlingen. Vægtprocenten (massefraktionen) af det tilsatte nanomateriale ligger i den lave ende, f.eks. 0,5% til 5%, da den ensartede dispergering, der opnås ved sonikering, gør det muligt at spare på de forstærkende fyldstoffer og opnå en bedre forstærkningseffekt.
En typisk anvendelse af ultralyd i fremstillingen er formulering af en komposit af nanopartikler og harpiks. Til fremstilling af CNT-forstærket vinylester anvendes sonikering til at dispergere og funktionalisere CNT’er. Disse CNT-vinylestere er kendetegnet ved forbedrede elektriske og mekaniske egenskaber.
Klik her for at læse mere om dispergering af CNT’er!

Grafen

Grafen har enestående fysiske egenskaber, et højt aspektforhold og lav densitet. Grafen og grafenoxid integreres i en kompositmatrix for at opnå polymerer med lav vægt og høj styrke. For at opnå den mekaniske forstærkning skal grafenpladerne / grafenflagerne dispergeres meget fint, da agglomererede grafenplader begrænser forstærkningseffekten drastisk.
Videnskabelig forskning har vist, at forbedringens omfang hovedsageligt afhænger af grafenpladernes dispergeringsgrad i matricen. Kun homogent dispergeret grafen giver de ønskede virkninger. På grund af sin stærke hydrofobicitet og van der Waals-tiltrækning har grafen tendens til at aggregere og agglomerere til flager af enkeltlagsplader med svage indbyrdes vekselvirkninger.
Mens almindelige dispergeringsteknikker ofte ikke kan producere homogene grafendispersioner uden skader på grafenen, producerer ultralydsapparater med høj effekt grafendispersioner af høj kvalitet. Hielschers ultralydsapparater håndterer uden besvær ubehandlet grafen, grafenoxid og reduceret grafenoxid ved lave til høje koncentrationer og fra små til store volumener. 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 eksfoliering af grafen i store mængder!

Kulstofnanorør og andre nanomaterialer

Højintensitetsultralyd har vist sig at give fine dispersioner af forskellige nanomaterialer, herunder kulstofnanorør (CNT’er), SWNT’er, MWNT’er, fullerener, silica (SiO₂), titandioxid (TiO₂), sølv (Ag), zinkoxid (ZnO), nanofibrilleret cellulose og mange andre. Generelt klarer sonikering sig bedre end konventionelle dispergeringsapparater og kan opnå unikke resultater.
Ud over formaling og dispergering af nanopartikler opnås fremragende resultater ved syntese af nanopartikler via ultralydsudfældning (bottom-up-syntese). Det er blevet observeret, at partikelstørrelsen, f.eks. for magnetit, natriumzinkmolybdat og andre materialer syntetiseret med ultralyd, er mindre end den, der opnås med den konventionelle metode. Den mindre størrelse tilskrives den øgede kimdannelseshastighed og bedre blandingsmønstre som følge af forskydning og turbulens frembragt af ultralydskavitation.
Klik her for at lære mere om bottom-up-udfældning med ultralyd!

Partikelfunktionalisering med ultralyd

En partikels specifikke overfladeareal øges, når størrelsen reduceres. Især inden for nanoteknologi kommer materialeegenskaberne betydeligt mere til udtryk, når partiklens overfladeareal øges. Overfladearealet kan øges og modificeres med ultralyd ved at binde passende funktionelle molekyler til partikeloverfladen. Ved anvendelse og brug af nanomaterialer er overfladeegenskaberne lige så vigtige som partikelkernens egenskaber.
Partikler funktionaliseret med ultralyd anvendes i vid udstrækning i polymerer, kompositter & biokompositter, nanofluider, sammensatte enheder, nanolægemidler osv. Gennem partikelfunktionalisering forbedres egenskaber såsom stabilitet, styrke & stivhed, opløselighed, polydispersitet, fluorescens, magnetisme, superparamagnetisme, optisk absorption, høj elektrontæthed, fotoluminescens osv. drastisk.
Almindelige partikler, som funktionaliseres kommercielt med Hielschers ultralydssystemer, omfatter CNT’er, SWNT’er, MWNT’er, grafen, grafit, silica (SiO₂), nanodiamanter, magnetit (jernoxid, Fe₃O₄), sølvnanopartikler, guldnanopartikler, porøse & mesoporøse nanopartikler osv.
Klik her for at se udvalgte anvendelsesnoter om partikelbehandling med ultralyd!

Ultralydsdispergeringsapparater

Hielschers ultralydsdispergeringsudstyr fås til laboratorier, laboratorieborde og industriel produktion. Hielschers ultralydsapparater er pålidelige, robuste og nemme at betjene og rengøre. Udstyret er konstrueret til drift 24/7 under krævende forhold. Ultralydssystemerne kan anvendes til batchbehandling og inlinebehandling – fleksibelt og med nem tilpasning til din proces og dine krav.

Kapacitet til batchbehandling og inlinebehandling med ultralyd