Herstellung von verstärktem Gummi mit Ultraschall

• Verstärkte Gummimaterialien weisen eine höhere Zugfestigkeit, Dehnung und Abriebfestigkeit sowie eine bessere Alterungsbeständigkeit auf.
• Füllstoffe wie Industrieruß (z.B. CNTs, MWNTs), Graphen oder Silica müssen homogen in der Matrix dispergiert werden, um die gewünschten Materialeigenschaften zu erzielen.
• Leistungsultraschall ermöglicht eine hervorragende Verteilungsqualität monodisperser Nanopartikel mit stark verstärkenden Eigenschaften.

Ultraschalldispergierung

Die Ultraschallbehandlung wird häufig zur Dispergierung von Nanomaterialien wie monodispersen Nanopartikeln und Nanoröhren eingesetzt, da Ultraschall die Trennung und Funktionalisierung der Partikel und Röhren erheblich verbessert.
Ultraschalldispergiergeräte erzeugen Kavitation und hohe Scherkräfte, um Nanopartikel und Nanoröhren aufzubrechen, zu deagglomerieren, zu entwirren und zu dispergieren. Die Beschallungsintensität lässt sich präzise einstellen und steuern, sodass die Ultraschallprozessparameter unter Berücksichtigung von Konzentration, Agglomeration sowie Ausrichtung und Verflechtung des Nanomaterials optimal angepasst werden können. Dadurch lassen sich Nanomaterialien entsprechend ihren spezifischen Materialanforderungen optimal verarbeiten. Optimale Dispergierbedingungen durch individuell eingestellte Ultraschallprozessparameter ergeben einen hochwertigen Gummi-Nanoverbundwerkstoff mit hervorragender Verstärkungswirkung der Nanoadditive und Nanofüllstoffe.
Aufgrund der hervorragenden Dispergierqualität von Ultraschall und der dadurch erzielten gleichmäßigen Verteilung genügt ein sehr geringer Füllstoffgehalt, um ausgezeichnete Materialeigenschaften zu erzielen.

Durch Ultraschall mit Industrieruß verstärkter Gummi

Industrieruß ist einer der wichtigsten Füllstoffe in Gummimaterialien, insbesondere für Reifen, um dem Gummi Abriebfestigkeit und Zugfestigkeit zu verleihen. Industrierußpartikel neigen stark zur Bildung von Aggregaten, die sich nur schwer homogen dispergieren lassen. Industrieruß wird häufig in Farben, Lacken, Druckfarben, Nylon- und Kunststoffeinfärbungen, Latexmischungen, Wachsmischungen, Fotobeschichtungen und weiteren Anwendungen eingesetzt.
Die Ultraschalldispergierung ermöglicht eine Deagglomeration und gleichmäßige Einmischung bei sehr hoher Monodispersität der Partikel.
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Durch Ultraschall mit CNTs / MWCNTs verstärkter Gummi

Ultraschallhomogenisatoren sind leistungsstarke Dispergiersysteme, die sich präzise steuern und an die Prozess- und Materialanforderungen anpassen lassen. Die präzise Steuerung der Ultraschallprozessparameter ist besonders bei der Dispergierung von Nanoröhren wie MWNTs oder SWNTs wichtig, da die Nanoröhren zu einzelnen Röhren entwirrt werden müssen, ohne dabei beschädigt zu werden (z.B. durch Durchtrennung). Unbeschädigte Nanoröhren weisen ein hohes Aspektverhältnis auf (bis zu 132.000.000:1), sodass sie bei der Einarbeitung in einen Verbundwerkstoff eine außergewöhnliche Festigkeit und Steifigkeit verleihen. Eine leistungsstarke, präzise eingestellte Beschallung überwindet die Van-der-Waals-Kräfte und dispergiert und entwirrt die Nanoröhren. Dadurch entsteht ein Hochleistungsgummimaterial mit außergewöhnlicher Zugfestigkeit und außergewöhnlichem Elastizitätsmodul.
Darüber hinaus wird die Ultraschallfunktionalisierung eingesetzt, um Kohlenstoffnanoröhren so zu modifizieren, dass sie gewünschte Eigenschaften für vielfältige Anwendungen erhalten.

Durch Ultraschall mit Nanosilica verstärkter Gummi

Ultraschalldispergierer ermöglichen eine sehr gleichmäßige Verteilung von Silica-Nanopartikeln (SiO₂) in Kautschukpolymerlösungen. Silica-Nanopartikel (SiO₂) müssen als monodisperse Partikel homogen in polymerisiertem Styrol-Butadien und anderen Kautschuken verteilt werden. Monodisperses Nano-SiO₂ wirkt als Verstärkungsmittel, das Zähigkeit, Festigkeit, Dehnung, Biegeeigenschaften und Alterungsbeständigkeit deutlich verbessert. Für Nanopartikel gilt: Je kleiner die Partikelgröße, desto größer ist die spezifische Oberfläche der Partikel. Ein höheres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen (S/V) führt zu besseren Struktur- und Verstärkungseffekten, wodurch die Zugfestigkeit und Härte von Gummiprodukten steigen.
Bei der Ultraschalldispergierung von Silica-Nanopartikeln lassen sich die Prozessparameter exakt steuern, sodass eine sphärische Morphologie, eine präzise eingestellte Partikelgröße und eine sehr enge Größenverteilung erzielt werden.
Mit Ultraschall dispergierte Silica führt zu höchster Materialleistung des damit verstärkten Gummis.
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Ultraschalldispergierung verstärkender Additive

Die Beschallung hat sich bei der Dispergierung vieler weiterer nanopartikulärer Materialien bewährt, um den Modul, die Zugfestigkeit und die Ermüdungseigenschaften von Gummiverbundwerkstoffen zu verbessern. Da Partikelgröße, Form, Oberfläche und Oberflächenaktivität von Füllstoffen und verstärkenden Additiven entscheidend für ihre Wirkung sind, gehört der Einsatz leistungsstarker und zuverlässiger Ultraschalldispergierer zu den am häufigsten verwendeten Methoden, um mikro- und nanoskalige Partikel in Gummiprodukte einzuarbeiten.
Typische Additive und Füllstoffe, die durch Beschallung als gleichmäßig verteilte oder monodisperse Partikel in Gummimatrizen eingearbeitet werden, sind Calciumcarbonat, Kaolin, pyrogene Kieselsäure, gefällte Kieselsäure, Graphitoxid, Graphen, Glimmer, Talk, Baryt, Wollastonit, gefällte Silikate, pyrogene Kieselsäure und Diatomit.
Wenn mit Ölsäure funktionalisierte TiO₂ -Nanopartikel durch Ultraschall in Styrol-Butadien-Kautschuk dispergiert werden, führt bereits eine sehr geringe Menge des ölsäurefunktionalisierten SiO₂ zu einem deutlich verbesserten Modul, einer höheren Zugfestigkeit und besseren Ermüdungseigenschaften und wirkt als Schutzmittel gegen photochemischen und thermischen Abbau.

• Aluminiumoxidtrihydrat (Al₂O₃) wird als Flammschutzmittel, zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit sowie zur Erhöhung der Kriechstrom- und Erosionsbeständigkeit zugesetzt.
• Zinkoxidfüllstoffe (ZnO) erhöhen sowohl die relative Permittivität als auch die Wärmeleitfähigkeit.
• Titandioxid (TiO₂) verbessert die thermische und elektrische Leitfähigkeit.
• Calciumcarbonat (CaCO₃) wird aufgrund seiner mechanischen, rheologischen und flammhemmenden Eigenschaften als Additiv eingesetzt.
• Bariumtitanat (BaTiO₃) erhöht die thermische Stabilität.
• Graphen und Graphenoxid (GO) verleihen hervorragende mechanische, elektrische, thermische und optische Materialeigenschaften.
• Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) verbessern mechanische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit erheblich.
• Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWNTs) verbessern den Elastizitätsmodul und die Streckgrenze. Beispielsweise erhöht bereits die Zugabe von 1 wt.% MWNTs zu einem Epoxidharz den Elastizitätsmodul um 100% und die Streckgrenze um 200% gegenüber der reinen Matrix.
• Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs) verbessern die mechanischen Eigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit.
• Kohlenstoffnanofasern (CNF) verleihen Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Langlebigkeit.
• Metallische Nanopartikel wie Nickel, Eisen, Kupfer, Zink, Aluminium und Silber werden zugesetzt, um die elektrische und thermische Leitfähigkeit zu verbessern.
• Organische Nanomaterialien wie Montmorillonit verbessern die mechanischen und flammhemmenden Eigenschaften.

Ultraschalldispergiersysteme

Hielscher Ultrasonics bietet ein breites Sortiment an Ultraschallgeräten – von kleineren Tischsystemen für Machbarkeitsversuche bis hin zu hochbelastbaren industriellen Ultraschallgeräten mit bis zu 16kW pro Gerät. Leistung, Zuverlässigkeit, präzise Steuerbarkeit und Robustheit machen die Ultraschalldispergiersysteme von Hielscher zum „Arbeitstier“ in der Produktionslinie für mikro- und nanopartikuläre Formulierungen. Mit unseren Ultraschallgeräten lassen sich wässrige und lösungsmittelbasierte Dispersionen auch bei hohen Viskositäten (bis zu 10.000cp) problemlos verarbeiten. Verschiedene Sonotroden (Ultraschallhörner), Booster (Amplitudenverstärker/-reduzierer), Durchflusszellengeometrien und weiteres Zubehör ermöglichen die optimale Anpassung des Ultraschalldispergierers an das Produkt und dessen Prozessanforderungen.
Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich unmittelbar im kontinuierlichen 24/7-Betrieb einsetzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7 -Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen. Die Ultraschalldispergierer von Hielscher werden weltweit für die kommerzielle Produktion im großen Maßstab eingesetzt.