Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall-Formulierung von Verbundwerkstoffen

  • Verbundwerkstoffe bzw. Composites zeigen einzigartige Materialeigenschaften, wie z.B. deutlich verbesserte Thermostabilität, Elastizitätsmodulus, Zugfestigkeit oder Bruchfestigkeit. Daher werden sie für die Herstellung zahlreicher Produkte eingesetzt.
  • Mittels Ultraschall ist es erwiesenermaßen möglich, hochwertige Nanocomposite mit fein-dispersen CNTs, Graphen und anderen Nanomaterialien zu produzieren.
  • Hielscher bietet hochperformante, robuste Ultraschallanlagen stehen für die Formulierung von verstärkten Composites im industriellen Maßstab.

 

Nanokomposite

Nanokomposite zeichnen sich durch ihre mechanischen, elektrischen, thermischen, optischen, elektrochemischen und / oder katalytischen Eigenschaften aus.
Aufgrund des extrem hohen Oberfläche-Volumen-Verhältnisses der Verstärkungsphase und / oder des außergewöhnlich hohen Aspektverhältnisses sind Nanokomposite wesentlich leistungsfähiger als herkömmliche Verbundstoffe. Nanopartikel, wie z.B. sphärisches Silica, Minerale wie delaminiertes Graphen und Bentonit, oder Nanofasern wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder elektrogesponnenen Fasern werden als verstärkende Stoffe eingesetzt.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden beispielsweise verwendet, um die elektrische und thermische Leitfähigkeit zu verbessern, während Nano-Silica die mechanischen, thermischen und wasserresistenten Eigenschaften eines Verbundwerkstoffes intensiviert. Andere Nanopartikel können die optischen und dielektrische Eigenschaften, die Hitzebeständigkeit oder mechanische Eigenschaften, wie Steifigkeit, Zugfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion verbessern.

Beispiele für ultraschall-formulierte Nanokomposite:

  • Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) in einer Vinylester-Matrix
  • CNTs / CArbon Onions / Nano-Diamanten in einer Nickel-Metall-Matrix
  • CNTs in einer Magnesiumlegierung
  • CNTs in einer Polyvinylalkohol (PVA)-Matrix
  • mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNT) in einer Epoxidharzmatrix (unter Verwendung von Methyl-Tetrahydrophthalsäureanhydrid (MTHPA) als Härter)
  • Graphenoxids in einer Poly(vinylalkohol) (PVA)-Matrix
  • SiC-Nanopartikel in einer Magnesium-Matrix
  • Nano-Silica (Aerosil) in einer Polystyrolmatrix
  • magnetisches Eisenoxid in einer flexiblen Polyurethan (PU)-Matrix
  • Nickeloxid in Graphit / Poly(vinylchlorid)
  • Titandioxid-Nanopartikel in einer Polylactid-co-Glykolsäure (PLGA)-Matrix
  • Nano-Hydroxyapatit in einer Polylactid-co-Glykolsäure (PLGA)-Matrix

Ultraschalldispersion

Ultraschall-Prozessparameter können genau gesteuert und optimal an die Materialzusammensetzung und die gewünschte Output-Qualität angepasst werden. Die Ultraschall-Dispersion ist eines der bewährtesten und oftmals das einzige Verfahren, um Nanopartikel wie CNTs oder Graphen in Nanokomposite zu integrieren. In wissenschaftlichen Langzeitstudien getestet und in zahlreichen industriellen Produktionsanlage seit langem installiert, haben sich Hielscher's Ultraschalldispergatoren für die Dispersion und Formulierung von Nanokompositen als leistungsstarke, zuverlässige Methode etabliert. Hielscher's langjährige Erfahrung in der ultraschall-gestützten Verarbeitung von Nanomaterialien garantiert eine fundierte Beratung, die Empfehlung eines geeigneten Ultraschallsystems und umfassende Unterstützung während der Prozessentwicklung und -Optimierung.
Meist die verstärkenden Nanopartikel während des Hrstellungsprozesses in die Kompositmatrix dispergiert. Der Gewichtsanteil (Masseanteil) des Nanomaterial bewegt sich meist im unteren Bereich, z.B. zwischen 0,5 % bis 5 %, da durch die homogene Ultraschalldispersion ein sparsamerer Einsatz der verstärkenden Nano-Füllstoffe ermöglicht und gleichzeitig eine höhere Materialperformanz erreicht wird.
Eine typische Anwendung von Ultraschall ist die Herstellung von nanopartikulären-Harz-Kompositen. Um CNT-verstärkte Vinylester herzustellen, werden die CNTs mittels Ultraschall dispergiert und/oder funktionalisiert. Diese CNT-Vinylester zeichnen sich durch ihre verbesserten mechanischen und elektrischen Eigenschaften aus.
Klicken Sie hier, um mehr über die Ultraschall-Dispersion von CNTs zu lesen!

Anorganische Partikel können mittels Ultraschall funktionalisiert werden

Ultraschall-funktionalisierte Nanopartikel

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Ultraschallgeräte für das Technikum und die Produktion erfüllen die gängige Industrienorm, z.B. UIP1500hd (Klicken um zu vergrößern!)

Ultraschallgerät UIP1500hd mit Durchflussreaktor

Graphen

Graphene bietet außergewöhnliche physikalische Eigenschaften, ein hohes Seitenverhältnis und eine geringe Dichte. Graphene und Graphenoxids sind integriert in eine Verbundmatrix, um leichtgewichtige, hochfeste Polymere zu erhalten. Um die mechanische Verstärkung zu erreichen, werden die Graphenschichten / Plättchen müssen sehr fein dispergiert werden, für agglomerierte Graphenschichten drastisch die Verstärkungswirkung begrenzen.
Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass das Ausmaß der Verbesserung ist vor allem abhängig von dem Dispersionsgrad der Graphenlagen in der Matrix. Nur homogen dispergiert Graphen gibt die gewünschten Effekte. Aufgrund der starken Hydrophobizität und van der Waals-Anziehung, ist Graphen in Flocken zu aggregieren und agglomerieren anfällig schwach einlagige Blätter zu interagieren.
Während herkömmliche Dispersionstechniken oftmals nicht in der Lage sind, eine homogene, unbeschädigte Graphendispersion herzustellen, erzeugen Hochleistungs- Ultraschallgeräte problemlos hochwertige Graphendispersionen. Hielscher's Ultraschallsysteme verarbeiten reines Graphen, Graphenoxide und reduzierte Graphenoxide entweder niedrig- oder hochkonzentriert. Dispersionsvolumina von kleinen Proben bis hin zum industriellen Maßstab im kontinuierlichen Durchfluss sind für die robusten Hielscher Ultraschallsysteme kein Problem. Eines der üblicherweise verwendeten Lösungsmittel ist N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP); mit Hielscher's Hochleistungs-Ultraschall kann Graphen selbst in schlechten Lösungsmitteln mit niedrigem Siedepunkt, z.B. Aceton, Chloroform, IPA und Cyclohexanon dispergiert werden.
Klicken Sie hier, um mehr über die Exfolierung von Graphen zu lesen!

Kohlenstoff-Nanoröhrchen und andere Nanomaterialien

Hochleistungs-Ultraschall wird für die fein-skalige Dispergierung verschiedener Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), SWNTs, MWNT, Fullerene, Silica (SiO2), Titandioxid (TiO2), Silber (Ag), Zinkoxid (ZnO), nanofibrillierte Zellulose und viele andere, eingesetzt. Dabei übertrifft Ultraschall meist die Ergebnisse, die mit konventionellen Dispergatoren erzielt werden, und liefert einzigartige Dispersionsergebnisse.
Neben dem Nassmahlen und Dispergieren von Nanopartikeln werden auch bei ultraschall-gestützten Fällungsreaktionen von Nanopartikeln hervorragende Ergebnisse erzielt (Bottom-up-Synthese). Es lässt sich klar zeigen, dass bei ultraschall-synthetisierten Nanopartikeln wie z.B. Magnetit, Natrium Zinkmolybdat u.a., deutlich kleinere Partikelgrößen erzielt werden als bei herkömmlichen Verfahren. Die kleinere Partikelgröße ist auf die verbesserte Nukleationsrate und homogenere Vermischung durch die ultraschall-erzeugten Scherkräfte und Turbulenzen zurückzuführen.
Klicken Sie hier, um mehr über ultraschall-gestützte Bottom-Up-Synthese erfahren!

Ultraschall-gestützte Partikelfunktionalisierung

Die spezifische Partikeloberfläche vergrößert sich verhältnismäßig umso mehr, je kleiner der Partikel ist. Insbesondere in der Nanotechnologie zeigen sich von Materialeigenschaften wesentlich deutlicher, je größer die Oberfläche eines Partikels ist. Die Partikeloberfläche kann durch Beschallung vergrößert und durch das Anlagern geeigneter funktioneller Moleküle auf der Partikeloberfläche modifiziert werden. Hinsichtlich der Verarbeitung und Verwendung von Nanomaterialien sind die Oberflächeneigenschaften ebenso wichtig wie die Eigenschaften des Partikelkerns.
Mittels Ultraschall funktionalisierte Partikel werden in Polymere, Kompositen & Biokompositen, Nanofluiden, in Gerätekomponenten, in der Nanomedizin, etc. eingesetzt. Durch die Partikelfunktionalisierung werden besondere Eigenschaften wie extreme Stabilität, Festigkeit & Steifigkeit, Löslichkeit, Polydispersität, Fluoreszenz, Magnetismus, Superparamagnetismus, optische Absorption, hohe Elektronendichte, Photoluminiszenz u.a. signifikant verbessert.
Zu den häufigsten Partikeltypen, welche mit Hielscher‘ s Ultraschallsystemen im kommerziellen Maßstab funktionalisiert werden, zählen CNTs, SWNTs, MWNTs, Graphen, Graphit, Siliziumdioxid (SiO2), Nanodiamanten, Magnetit (Eisenoxid, Fe3O4), Silber-Nanopartikel, Gold-Nanopartikel, poröse & mesoporöse Nanopartikel usw.
Klicken Sie hier für ausgewählte Anwendungsprotokolle für die ultraschall-gestützte Partikelmodifizierung!

Ultraschall-Dispergierer

Hielscher's Ultraschall-Dispersionsgeräte und -anlagen sind für Labor, Technikum und Industrieproduktion erhältlich. Dabei zeichnen sich Hielscher Ultraschallgeräte durch ihre Zuverlässigkeit und Robustheit aus und sind zudem einfach zu reinigen und zu bedienen. Alle Ultraschallgeräte sind für den 24/7 Betrieb unter Heavy-Duty-Belastung konzipiert. Hielscher Ultraschallsysteme können sowohl für die Batch- als auch für die Inline-Verarbeitung eingesetzt werden – flexibel und problemlos an Ihren Prozess und Ihre Anforderungen anpassbar!

Ultraschallsysteme für Batch- und Inline-Verfahren

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
5 bis 200ml 50 bis 500ml/min UP200Ht, UP400S
0,1 bis 2L 0,25 bis 2m3/h UIP1000hd, UIP2000hd
0,4 bis 10L 1 bis 8m3/h UIP4000
n.a. 4 bis 30m3/h UIP16000
n.a. mehr als 30m3/h Cluster aus UIP10000 oder UIP16000

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Der UP200S Ultrasonicator für die Modifizierung und Größenreduktion von Partikeln (zum Vergrößern anklicken!)

Ultraschall-Laborgerät für die Partikelfunktionalisierung

Literatur

  • Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): „Investigation of corrosion inhibition performance of ultrasonically prepared sodium zinc molybdate nanopigment in two-pack epoxy-polyamide coating. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
  • Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Preparation of novel magnetic polyurethane foam nanocomposites by using core-shell nanoparticles. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
  • Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide–Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.


Wissenswertes

Über Kompositmaterialien

Komposite (auch als Verbundwerkstoffe bekannt) sind Materialien aus zwei oder mehr Bestandteilen, die deutlich unterschiedliche physikalische oder chemische Eigenschaften aufweisen. Wenn diese Einsatzmaterialien kombiniert werden, wird ein neues Material – das sogenannte Komposit – erzeugt, welches die verschiedenen Merkmale der einzelnen Komponenten aufweist. Die einzelnen Komponenten liegen als sortenreine Grundstoffe innerhalb der fertigen Struktur vor und werden über die Matrix verbunden.
Das neue Material hat bessere Eigenschaften, z.B. ist es stärker, leichter, widerstandsfähiger und/oder kostengünstiger im Vergleich zu konventionellen Materialien. Zu den verbesserten Eigenschaften von Nanokompositen zählen mechanische, elektrische / leitfähige, thermische, optische, elektro-chemische und katalytische Effekte.

Zu den technisch hergestellten Verbundmaterialien zählen:

  • Bio-Komposite
  • verstärkte Kunststoffe, z.B. faserverstärkte Polymere
  • Metall-Verbundstoffe
  • Keramik-Verbundwerkstoffe (Keramikmatrix- und Metallmatrix-Komposite)

Verbundwerkstoffe werden im Bau- und Konstruktionswesen, wie z.B. für Bootsrümpfe, Arbeitsplatte, Karosserien, Badewannen, Lagertanks, Kunstgranit und Kunstmarmor sowie in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

Verbundwerkstoffe können auch mit Metallfasern andere Metalle verstärken, z.B. in Metallmatrix-Kompositen (MMC) oder Keramikmatrix-Kompositen (CMC). Diese Komposite werden z.B. für die Verstärkung von Knochen (mit Hydroxyapatit verstärkte Kollagenfasern), Zement (Keramik und Metall) und Beton eingesetzt.
Zu den organischen Matrix/Keramik-Kompositen gehören Asphaltbeton, Polymerbeton, Gussasphalt, Mastixkleber, Dentalkomposite, syntaktischer Schaum und Perlmutt.

Über die Ultraschalleffekte auf Partikel

eigenschaften lassen sich am besten beobachten, wenn die Partikelgröße auf ein bestimmtes Level (bekannt als kritische Größe) verkleinert wird. Erreicht die Partikelgröße das Nanometer-Niveau, werden die Wechselwirkungen an den Phasengrenzen deutlich verbessert. Dies ist entscheidend, um die Werkstoffeigenschaften zu verbessern. Dabei ist das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen am bedeutsamsten, wenn es um die Verstärkung von Nanokompositen geht. Nanokomposite bieten für fast alle Bereiche der Industrie, einschließlich der Luft-und Raumfahrt, Automobil-, Elektronik- & Biotech-Industrie sowie Pharma und Medizin sowohl technologische als auch wirtschaftliche Vorteile. Auch die Umweltfreundlichkeit der Materialien ist ein wichtiger Aspekt.
Durch seine intensive Misch- und Dispergierleistung – erzeugt durch Ultraschallkavitationverbessert Hochleistungsultraschall die Benetzbarkeit und Homogenisierung zwischen der Matrix und den Partikeln. Da die Ultraschallverarbeitung als das am weitesten verbreitete und erfolgreichste Dispersionsverfahren gilt, wenn es um Nano-Materialien geht, sind Hielscher's Ultraschalls-Systeme weltweit in Labors, Pilotanlagen und Produktion zu finden.