Ultraschallgestützte Formulierung verstärkter Verbundwerkstoffe

• Verbundwerkstoffe weisen einzigartige Materialeigenschaften wie eine deutlich verbesserte thermische Stabilität, einen höheren Elastizitätsmodul sowie eine höhere Zugfestigkeit und Bruchfestigkeit auf und werden daher bei der Herstellung vielfältiger Produkte eingesetzt.
• Die Ultraschallbehandlung erzeugt nachweislich hochwertige Nanokomposite mit hochgradig dispergierten CNTs, Graphen usw.
• Ultraschallgeräte zur Formulierung verstärkter Verbundwerkstoffe sind im industriellen Maßstab verfügbar.

Nanokomposite

Nanokomposite zeichnen sich durch ihre mechanischen, elektrischen, thermischen, optischen, elektrochemischen und/oder katalytischen Eigenschaften aus.
Aufgrund des außergewöhnlich hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen ihrer verstärkenden Phase und/oder ihres außergewöhnlich hohen Aspektverhältnisses sind Nanokomposite deutlich leistungsfähiger als herkömmliche Verbundwerkstoffe. Nanopartikel wie kugelförmiges Siliziumdioxid, mineralische Schichten wie exfoliertes Graphen oder Ton sowie Nanofasern wie Kohlenstoffnanoröhren oder elektrogesponnene Fasern werden häufig zur Verstärkung eingesetzt.
Beispielsweise werden Kohlenstoffnanoröhren zugesetzt, um die elektrische und thermische Leitfähigkeit zu verbessern. Nanoskaliges Siliziumdioxid wird eingesetzt, um die mechanischen und thermischen Eigenschaften sowie die Wasserbeständigkeit zu verbessern. Andere Arten von Nanopartikeln verbessern die optischen Eigenschaften, die dielektrischen Eigenschaften, die Wärmebeständigkeit oder mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und Beständigkeit gegenüber Korrosion und Beschädigungen.

Beispiele für mittels Ultraschall formulierte Nanokomposite:

• Kohlenstoffnanoröhren (CNT) in einer Vinylestermatrix
• CNTs / Kohlenstoffzwiebeln / Nanodiamanten in einer metallischen Nickelmatrix
• CNTs in einer Matrix aus einer Magnesiumlegierung
• CNTs in einer Polyvinylalkoholmatrix (PVA)
• Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhre (MWCNT) in einer Epoxidharzmatrix (unter Verwendung von Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid (MTHPA) als Härter)
• Graphenoxid in einer Polyvinylalkoholmatrix (PVA)
• SiC-Nanopartikel in einer Magnesiummatrix
• Nanoskaliges Siliziumdioxid (Aerosil) in einer Polystyrolmatrix
• Magnetisches Eisenoxid in einer flexiblen Polyurethanmatrix (PU)
• Nickeloxid in einem Graphit/Polyvinylchlorid-Verbund
• Titandioxid-Nanopartikel in einer Poly(milchsäure-co-glycolsäure)-Matrix (PLGA)
• Nanoskaliger Hydroxylapatit in einer Poly(milchsäure-co-glycolsäure)-Matrix (PLGA)

Ultraschalldispergierung

Die Ultraschallprozessparameter lassen sich exakt steuern und optimal an die Materialzusammensetzung und die gewünschte Ergebnisqualität anpassen. Die Ultraschalldispergierung ist das empfohlene Verfahren, um Nanopartikel wie CNTs oder Graphen in Nanokomposite einzuarbeiten. Die ultraschallgestützte Dispergierung und Formulierung von Nanokompositen ist eine etablierte Methode, die seit Langem wissenschaftlich erprobt ist und in zahlreichen industriellen Produktionsanlagen eingesetzt wird. Die langjährige Erfahrung von Hielscher in der Ultraschallverarbeitung von Nanomaterialien gewährleistet eine fundierte Beratung, die Empfehlung eines geeigneten Ultraschallsystems und Unterstützung bei der Prozessentwicklung und -optimierung.
Meist werden die verstärkenden Nanopartikel während der Verarbeitung in der Matrix dispergiert. Der Gewichtsanteil (Massenanteil) des zugesetzten Nanomaterials liegt im unteren Bereich, z. B. bei 0,5% bis 5%, da die durch Beschallung erreichte gleichmäßige Dispergierung eine Einsparung verstärkender Füllstoffe und eine höhere Verstärkungswirkung ermöglicht.
Eine typische Anwendung von Ultraschall in der Fertigung ist die Formulierung von Nanopartikel-Harz-Verbundwerkstoffen. Zur Herstellung von CNT-verstärktem Vinylester wird die Ultraschallbehandlung eingesetzt, um CNTs zu dispergieren und zu funktionalisieren. Diese CNT-Vinylester-Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch verbesserte elektrische und mechanische Eigenschaften aus.
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Graphen

Graphen bietet außergewöhnliche physikalische Eigenschaften, ein hohes Aspektverhältnis und eine geringe Dichte. Graphen und Graphenoxid werden in eine Verbundmatrix integriert, um leichte, hochfeste Polymere zu erhalten. Um die mechanische Verstärkung zu erreichen, müssen die Graphenschichten bzw. -plättchen sehr fein dispergiert sein, da agglomerierte Graphenschichten die Verstärkungswirkung drastisch einschränken.
Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass das Ausmaß der Verbesserung überwiegend vom Dispersionsgrad der Graphenschichten in der Matrix abhängt. Nur homogen dispergiertes Graphen führt zu den gewünschten Effekten. Aufgrund seiner starken Hydrophobie und der Van-der-Waals-Anziehung neigt Graphen dazu, zu Flocken aus schwach miteinander wechselwirkenden einlagigen Schichten zu aggregieren und zu agglomerieren.
Während gängige Dispergierverfahren häufig keine homogenen Dispersionen mit unbeschädigtem Graphen erzeugen können, liefern Hochleistungsultraschallgeräte hochwertige Graphendispersionen. Die Ultraschallgeräte von Hielscher verarbeiten unbehandeltes Graphen, Graphenoxid und reduziertes Graphenoxid problemlos bei niedrigen bis hohen Konzentrationen und in kleinen bis großen Volumina. Ein häufig verwendetes Lösungsmittel ist N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP). Mit Hochleistungsultraschall lässt sich Graphen jedoch sogar in wenig geeigneten, niedrig siedenden Lösungsmitteln wie Aceton, Chloroform, IPA und Cyclohexanon dispergieren.
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Kohlenstoffnanoröhren und andere Nanomaterialien

Leistungsultraschall erzeugt nachweislich feinteilige Dispersionen verschiedener Nanomaterialien, darunter Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), SWNTs, MWNTs, Fullerene, Siliziumdioxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂), Silber (Ag), Zinkoxid (ZnO), nanofibrillierte Cellulose und viele weitere. Im Allgemeinen übertrifft die Ultraschallbehandlung herkömmliche Dispergiergeräte und kann einzigartige Ergebnisse erzielen.
Neben dem Zerkleinern und Dispergieren von Nanopartikeln werden auch bei der Synthese von Nanopartikeln durch ultraschallgestützte Fällung (Bottom-up-Synthese) hervorragende Ergebnisse erzielt. Es wurde beobachtet, dass die Partikelgröße, z. B. bei mittels Ultraschall synthetisiertem Magnetit, Natriumzinkmolybdat und anderen Materialien, geringer ist als bei der Herstellung mit dem herkömmlichen Verfahren. Die geringere Größe wird auf die erhöhte Keimbildungsrate und die bessere Durchmischung infolge der durch Ultraschallkavitation erzeugten Scherung und Turbulenz zurückgeführt.
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Ultraschallgestützte Partikelfunktionalisierung

Die spezifische Oberfläche eines Partikels nimmt mit abnehmender Größe zu. Insbesondere in der Nanotechnologie treten Materialeigenschaften durch die vergrößerte Partikeloberfläche deutlich stärker hervor. Die Oberfläche lässt sich mittels Ultraschall vergrößern und durch das Anlagern geeigneter funktioneller Moleküle auf der Partikeloberfläche modifizieren. Für die Anwendung und Nutzung von Nanomaterialien sind die Oberflächeneigenschaften ebenso wichtig wie die Eigenschaften des Partikelkerns.
Mittels Ultraschall funktionalisierte Partikel werden vielfach in Polymeren, Verbundwerkstoffen und Bioverbundwerkstoffen, Nanofluiden, zusammengesetzten Bauelementen, Nanomedikamenten usw. eingesetzt. Durch die Partikelfunktionalisierung werden Eigenschaften wie Stabilität, Festigkeit und Steifigkeit, Löslichkeit, Polydispersität, Fluoreszenz, Magnetismus, Superparamagnetismus, optische Absorption, hohe Elektronendichte, Photolumineszenz usw. drastisch verbessert.
Zu den gängigen Partikeln, die mit Ultraschallsystemen von Hielscher kommerziell funktionalisiert werden, gehören CNTs, SWNTs, MWNTs, Graphen, Graphit, Siliziumdioxid (SiO₂), Nanodiamanten, Magnetit (Eisenoxid, Fe₃O₄), Silbernanopartikel, Goldnanopartikel, poröse und mesoporöse Nanopartikel usw.
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Ultraschalldispergierer

Die Ultraschalldispergiergeräte von Hielscher sind für Labor, Tischanwendungen und Industrieproduktion erhältlich. Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind zuverlässig, robust sowie einfach zu bedienen und zu reinigen. Die Geräte sind für den 24/7-Betrieb unter anspruchsvollen Bedingungen ausgelegt. Die Ultraschallsysteme eignen sich für die Chargen- und Inline-Verarbeitung – flexibel und einfach an Ihren Prozess und Ihre Anforderungen anpassbar.

Kapazitäten für die Ultraschallbehandlung im Chargen- und Inline-Betrieb