Παρασκευή ενισχυμένων σύνθετων υλικών με υπερήχους

Τα σύνθετα υλικά παρουσιάζουν μοναδικές ιδιότητες, όπως σημαντικά αυξημένη θερμική σταθερότητα, μέτρο ελαστικότητας, αντοχή σε εφελκυσμό και αντοχή σε θραύση, και επομένως χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή ποικίλων προϊόντων.
Η κατεργασία με υπερήχους έχει αποδειχθεί ότι παράγει νανοσύνθετα υλικά υψηλής ποιότητας με υψηλό βαθμό διασποράς των CNTs, του γραφενίου κ.λπ.
Ο εξοπλισμός υπερήχων για την παρασκευή ενισχυμένων σύνθετων υλικών διατίθεται σε βιομηχανική κλίμακα.

Νανοσύνθετα υλικά

Τα νανοσύνθετα υλικά ξεχωρίζουν για τις μηχανικές, ηλεκτρικές, θερμικές, οπτικές, ηλεκτροχημικές και/ή καταλυτικές τους ιδιότητες.
Λόγω του εξαιρετικά υψηλού λόγου επιφάνειας προς όγκο της ενισχυτικής φάσης και/ή του εξαιρετικά υψηλού λόγου διαστάσεών τους, τα νανοσύνθετα υλικά παρουσιάζουν σημαντικά καλύτερες επιδόσεις από τα συμβατικά σύνθετα υλικά. Για την ενίσχυση χρησιμοποιούνται συχνά νανοσωματίδια, όπως σφαιρικό διοξείδιο του πυριτίου, ορυκτά φύλλα, όπως αποφυλλωμένο γραφένιο ή άργιλος, ή νανοΐνες, όπως νανοσωλήνες άνθρακα ή ίνες που παράγονται με ηλεκτροϊνοποίηση.
Για παράδειγμα, προστίθενται νανοσωλήνες άνθρακα για τη βελτίωση της ηλεκτρικής και θερμικής αγωγιμότητας, ενώ νανοδιοξείδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται για τη βελτίωση των μηχανικών και θερμικών ιδιοτήτων και της αντοχής στο νερό. Άλλα είδη νανοσωματιδίων προσφέρουν βελτιωμένες οπτικές ιδιότητες, διηλεκτρικές ιδιότητες, αντοχή στη θερμότητα ή μηχανικές ιδιότητες, όπως ακαμψία, αντοχή και αντίσταση στη διάβρωση και στις φθορές.

Παραδείγματα νανοσύνθετων υλικών που παρασκευάζονται με υπερήχους:

νανοσωλήνες άνθρακα (CNT) σε μήτρα βινυλεστέρα
CNTs / κρεμμυδοειδείς δομές άνθρακα / νανοδιαμάντια σε μεταλλική μήτρα νικελίου
CNTs σε μήτρα κράματος μαγνησίου
CNTs σε μήτρα πολυβινυλικής αλκοόλης (PVA)
νανοσωλήνας άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (MWCNT) σε μήτρα εποξειδικής ρητίνης (με χρήση ανυδρίτη του μεθυλοτετραϋδροφθαλικού οξέος (MTHPA) ως σκληρυντή)
οξείδιο του γραφενίου σε μήτρα πολυ(βινυλικής αλκοόλης) (PVA)
νανοσωματίδια SiC σε μήτρα μαγνησίου
νανοδιοξείδιο του πυριτίου (Aerosil) σε μήτρα πολυστυρενίου
μαγνητικό οξείδιο του σιδήρου σε μήτρα εύκαμπτης πολυουρεθάνης (PU)
οξείδιο του νικελίου σε γραφίτη/πολυ(χλωριούχο βινύλιο)
νανοσωματίδια διοξειδίου του τιτανίου σε μήτρα συμπολυμερούς γαλακτικού και γλυκολικού οξέος (PLGA)
νανοϋδροξυαπατίτης σε μήτρα συμπολυμερούς γαλακτικού και γλυκολικού οξέος (PLGA)

Διασπορά με υπερήχους

Οι παράμετροι της διεργασίας υπερήχων μπορούν να ελέγχονται με ακρίβεια και να προσαρμόζονται βέλτιστα στη σύνθεση του υλικού και στην επιθυμητή ποιότητα του τελικού προϊόντος. Η διασπορά με υπερήχους είναι η συνιστώμενη τεχνική για την ενσωμάτωση νανοσωματιδίων, όπως CNTs ή γραφένιο, σε νανοσύνθετα υλικά. Έχοντας δοκιμαστεί επί μακρόν σε επιστημονικό επίπεδο και εφαρμοστεί σε πολλές βιομηχανικές εγκαταστάσεις παραγωγής, η διασπορά και η παρασκευή νανοσύνθετων υλικών με υπερήχους αποτελεί μια καθιερωμένη μέθοδο. Η μακρόχρονη εμπειρία της Hielscher στην κατεργασία νανοϋλικών με υπερήχους εξασφαλίζει εμπεριστατωμένη συμβουλευτική υποστήριξη, σύσταση κατάλληλης διάταξης υπερήχων και βοήθεια κατά την ανάπτυξη και τη βελτιστοποίηση της διεργασίας.
Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα ενισχυτικά νανοσωματίδια διασπείρονται στη μήτρα κατά την επεξεργασία. Το ποσοστό κατά βάρος (κλάσμα μάζας) του προστιθέμενου νανοϋλικού κυμαίνεται σε χαμηλά επίπεδα, π.χ. από 0,5% έως 5%, καθώς η ομοιόμορφη διασπορά που επιτυγχάνεται με την κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει την εξοικονόμηση ενισχυτικών πληρωτικών υλικών και υψηλότερες επιδόσεις ενίσχυσης.
Μια τυπική εφαρμογή των υπερήχων στη βιομηχανική παραγωγή είναι η παρασκευή σύνθετου υλικού νανοσωματιδίων και ρητίνης. Για την παραγωγή βινυλεστέρα ενισχυμένου με CNTs, χρησιμοποιείται κατεργασία με υπερήχους για τη διασπορά και τη λειτουργικοποίηση των CNTs. Αυτοί οι βινυλεστέρες με CNTs χαρακτηρίζονται από βελτιωμένες ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες.
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με τη διασπορά των CNTs!

Τα ανόργανα σωματίδια μπορούν να λειτουργικοποιηθούν με κατεργασία με υπερήχους

Νανοσωματίδιο λειτουργικοποιημένο με υπερήχους

Οι συσκευές υπερήχων για επιτραπέζια χρήση και παραγωγή, όπως η UIP1500hd, είναι πλήρως βιομηχανικού επιπέδου. (Κάντε κλικ για μεγέθυνση!)

Συσκευή υπερήχων UIP1500hd με αντιδραστήρα συνεχούς ροής

Γραφένιο

Το γραφένιο προσφέρει εξαιρετικές φυσικές ιδιότητες, υψηλό λόγο διαστάσεων και χαμηλή πυκνότητα. Το γραφένιο και το οξείδιο του γραφενίου ενσωματώνονται σε μήτρα σύνθετου υλικού για την παραγωγή ελαφρών πολυμερών υψηλής αντοχής. Για να επιτευχθεί η μηχανική ενίσχυση, τα φύλλα / πλακίδια γραφενίου πρέπει να διασπείρονται πολύ λεπτά, καθώς τα συσσωματωμένα φύλλα γραφενίου περιορίζουν δραστικά την ενισχυτική δράση.
Η επιστημονική έρευνα έχει δείξει ότι το μέγεθος της βελτίωσης εξαρτάται κυρίως από τον βαθμό διασποράς των φύλλων γραφενίου στη μήτρα. Μόνο το ομοιογενώς διεσπαρμένο γραφένιο δίνει τα επιθυμητά αποτελέσματα. Λόγω της έντονης υδροφοβικότητάς του και της έλξης van der Waals, το γραφένιο έχει την τάση να σχηματίζει συσσωματώματα και συσσωρεύσεις με τη μορφή νιφάδων από μονοστρωματικά φύλλα που αλληλεπιδρούν ασθενώς μεταξύ τους.
Ενώ οι συνήθεις τεχνικές διασποράς συχνά δεν μπορούν να παράγουν ομοιογενείς διασπορές γραφενίου χωρίς βλάβες στη δομή του, οι συσκευές υπερήχων υψηλής ισχύος παράγουν διασπορές γραφενίου υψηλής ποιότητας. Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher επεξεργάζονται χωρίς δυσκολία παρθένο γραφένιο, οξείδιο του γραφενίου και ανηγμένο οξείδιο του γραφενίου, από χαμηλές έως υψηλές συγκεντρώσεις και από μικρούς έως μεγάλους όγκους. Ένας διαλύτης που χρησιμοποιείται συχνά είναι η N-μεθυλο-2-πυρρολιδόνη (NMP), αλλά με υπερήχους υψηλής ισχύος το γραφένιο μπορεί να διασπαρεί ακόμη και σε φτωχούς διαλύτες με χαμηλό σημείο ζέσεως, όπως η ακετόνη, το χλωροφόρμιο, η IPA και η κυκλοεξανόνη.
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με την απολέπιση γραφενίου σε μεγάλη κλίμακα!

Νανοσωλήνες άνθρακα και άλλα νανοϋλικά

Έχει αποδειχθεί ότι οι υπέρηχοι ισχύος παράγουν διασπορές μικρού μεγέθους σωματιδίων από διάφορα νανοϋλικά, όπως νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), SWNTs, MWNTs, φουλερένια, διοξείδιο του πυριτίου (SiO₂), διοξείδιο του τιτανίου (TiO₂), άργυρο (Ag), οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO), νανοϊνιδωμένη κυτταρίνη και πολλά άλλα. Γενικά, η κατεργασία με υπερήχους υπερέχει των συμβατικών διασπορέων και μπορεί να επιτύχει μοναδικά αποτελέσματα.
Εκτός από την άλεση και τη διασπορά νανοσωματιδίων, εξαιρετικά αποτελέσματα επιτυγχάνονται με τη σύνθεση νανοσωματιδίων μέσω καταβύθισης με υπερήχους (σύνθεση από κάτω προς τα πάνω). Έχει παρατηρηθεί ότι το μέγεθος των σωματιδίων, π.χ. του μαγνητίτη, του μολυβδαινικού νατρίου-ψευδαργύρου και άλλων υλικών που συντίθενται με υπερήχους, είναι μικρότερο σε σύγκριση με εκείνο που προκύπτει με τη συμβατική μέθοδο. Το μικρότερο μέγεθος αποδίδεται στον αυξημένο ρυθμό πυρηνοποίησης και στις καλύτερες συνθήκες ανάμιξης λόγω της διάτμησης και της τύρβης που δημιουργούνται από τη σπηλαίωση υπερήχων.
Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε περισσότερα σχετικά με την καταβύθιση με υπερήχους από κάτω προς τα πάνω!

Λειτουργικοποίηση σωματιδίων με υπερήχους

Η ειδική επιφάνεια ενός σωματιδίου αυξάνεται με τη μείωση του μεγέθους του. Ιδιαίτερα στη νανοτεχνολογία, η εκδήλωση των χαρακτηριστικών του υλικού ενισχύεται σημαντικά με την αύξηση της επιφάνειας του σωματιδίου. Η επιφάνεια μπορεί να αυξηθεί και να τροποποιηθεί με υπερήχους μέσω της προσάρτησης κατάλληλων λειτουργικών μορίων στην επιφάνεια του σωματιδίου. Όσον αφορά την εφαρμογή και τη χρήση των νανοϋλικών, οι επιφανειακές ιδιότητες είναι εξίσου σημαντικές με τις ιδιότητες του πυρήνα των σωματιδίων.
Τα σωματίδια που έχουν υποστεί λειτουργικοποίηση με υπερήχους χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολυμερή, σύνθετα υλικά & βιοσύνθετα υλικά, νανορευστά, συναρμολογημένες διατάξεις, νανοφάρμακα κ.λπ. Μέσω της λειτουργικοποίησης των σωματιδίων, χαρακτηριστικά όπως η σταθερότητα, η αντοχή & η δυσκαμψία, η διαλυτότητα, η πολυδιασπορά, ο φθορισμός, ο μαγνητισμός, ο υπερπαραμαγνητισμός, η οπτική απορρόφηση, η υψηλή ηλεκτρονιακή πυκνότητα, η φωτοφωταύγεια κ.λπ. βελτιώνονται δραστικά.
Στα συνήθη σωματίδια που υποβάλλονται σε λειτουργικοποίηση σε εμπορική κλίμακα με τα συστήματα υπερήχων της Hielscher περιλαμβάνονται CNTs, SWNTs, MWNTs, γραφένιο, γραφίτης, διοξείδιο του πυριτίου (SiO₂), νανοδιαμάντια, μαγνητίτης (οξείδιο του σιδήρου, Fe₃O₄), νανοσωματίδια αργύρου, νανοσωματίδια χρυσού, πορώδη & μεσοπορώδη νανοσωματίδια κ.λπ.
Κάντε κλικ εδώ για να δείτε επιλεγμένες σημειώσεις εφαρμογών για την κατεργασία σωματιδίων με υπερήχους!

Διασπορείς υπερήχων

Ο εξοπλισμός διασποράς με υπερήχους της Hielscher διατίθεται για εργαστηριακές και επιτραπέζιες εφαρμογές και για βιομηχανική παραγωγή. Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι αξιόπιστες, ανθεκτικές, εύκολες στον χειρισμό και στον καθαρισμό. Ο εξοπλισμός έχει σχεδιαστεί για λειτουργία 24/7 υπό συνθήκες βαριάς καταπόνησης. Τα συστήματα υπερήχων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για επεξεργασία κατά παρτίδες και εντός γραμμής – είναι ευέλικτα και προσαρμόζονται εύκολα στη διεργασία και στις απαιτήσεις σας.

Δυναμικότητες επεξεργασίας με υπερήχους κατά παρτίδες και εντός γραμμής

Όγκος παρτίδας	Παροχή	Συνιστώμενες συσκευές
5 έως 200mL	50 έως 500mL/min	UP200Ht, UP400S
0,1 έως 2L	0,25 έως 2m³/hr	UIP1000hd, UIP2000hd
0,4 έως 10L	1 έως 8m³/hr	UIP4000
n.a.	4 έως 30m³/hr	UIP16000
n.a.	πάνω από 30m³/hr	συστοιχία UIP10000 ή UIP16000

Η συσκευή υπερήχων UP200S για τροποποίηση σωματιδίων και μείωση του μεγέθους τους (Κάντε κλικ για μεγέθυνση!)

Εργαστηριακή συσκευή υπερήχων για τη λειτουργικοποίηση σωματιδίων

Βιβλιογραφία/Παραπομπές

Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Διερεύνηση της απόδοσης αναστολής της διάβρωσης νανοχρωστικής μολυβδαινικού νατρίου-ψευδαργύρου παρασκευασμένης με υπερήχους σε εποξειδική-πολυαμιδική επίστρωση δύο συστατικών. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Παρασκευή νέων μαγνητικών νανοσύνθετων αφρών πολυουρεθάνης με χρήση νανοσωματιδίων πυρήνα-κελύφους. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Παρασκευή σύνθετου υλικού οξειδίου του γραφενίου–πολυστυρενίου. 3ο Διεθνές Συνέδριο για το Περιβάλλον, τη Χημεία και τη Βιολογία. IPCBEE vol.78, 2014.

Σχετικά θέματα

Χρήσιμες πληροφορίες

Σχετικά με τα σύνθετα υλικά

Τα σύνθετα υλικά (γνωστά και ως υλικά σύνθεσης) περιγράφονται ως υλικά που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα συστατικά, τα οποία χαρακτηρίζονται από σημαντικά διαφορετικές φυσικές ή χημικές ιδιότητες. Όταν αυτά τα συστατικά υλικά συνδυάζονται, παράγεται ένα νέο υλικό – το λεγόμενο σύνθετο υλικό – το οποίο παρουσιάζει διαφορετικά χαρακτηριστικά από τα επιμέρους συστατικά. Τα επιμέρους συστατικά παραμένουν ξεχωριστά και διακριτά μέσα στην τελική δομή.
Το νέο υλικό έχει καλύτερες ιδιότητες, π.χ. είναι ισχυρότερο, ελαφρύτερο, ανθεκτικότερο ή λιγότερο δαπανηρό σε σύγκριση με τα συμβατικά υλικά. Οι βελτιώσεις των νανοσύνθετων υλικών εκτείνονται από τις μηχανικές, ηλεκτρικές / αγώγιμες, θερμικές, οπτικές και ηλεκτροχημικές έως τις καταλυτικές ιδιότητες.

Στα τυπικά τεχνητά σύνθετα υλικά περιλαμβάνονται:

βιοσύνθετα υλικά
ενισχυμένα πλαστικά, όπως πολυμερές ενισχυμένο με ίνες
μεταλλικά σύνθετα υλικά
κεραμικά σύνθετα υλικά (σύνθετο υλικό κεραμικής μήτρας και μεταλλικής μήτρας)

Τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται γενικά ως οικοδομικά και δομικά υλικά, όπως σε γάστρες σκαφών, πάγκους, αμαξώματα αυτοκινήτων, μπανιέρες, δεξαμενές αποθήκευσης, απομιμήσεις γρανίτη και νιπτήρες από τεχνητό μάρμαρο, καθώς και σε διαστημόπλοια και αεροσκάφη.

Τα σύνθετα υλικά μπορούν επίσης να χρησιμοποιούν μεταλλικές ίνες που ενισχύουν άλλα μέταλλα, όπως στα σύνθετα υλικά μεταλλικής μήτρας (MMC) ή στα σύνθετα υλικά κεραμικής μήτρας (CMC), στα οποία περιλαμβάνονται το οστό (υδροξυαπατίτης ενισχυμένος με ίνες κολλαγόνου), το κεραμομέταλλο (κεραμικό και μέταλλο) και το σκυρόδεμα.
Στα σύνθετα υλικά οργανικής μήτρας/κεραμικών αδρανών περιλαμβάνονται το ασφαλτοσκυρόδεμα, το πολυμερικό σκυρόδεμα, η μαστιχάσφαλτος, το mastic roller hybrid, το οδοντιατρικό σύνθετο υλικό, ο συντακτικός αφρός και το μάργαρο.

Σχετικά με τις επιδράσεις των υπερήχων στα σωματίδια

Οι ιδιότητες των σωματιδίων μπορούν να παρατηρηθούν όταν το μέγεθος των σωματιδίων μειωθεί σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο (γνωστό ως κρίσιμο μέγεθος). Όταν οι διαστάσεις των σωματιδίων φτάσουν στο επίπεδο των νανομέτρων, οι αλληλεπιδράσεις στις διεπιφάνειες των φάσεων βελτιώνονται σε μεγάλο βαθμό, γεγονός που είναι καθοριστικό για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών των υλικών. Ως εκ τούτου, ο λόγος εμβαδού επιφάνειας : όγκου των υλικών που χρησιμοποιούνται για ενίσχυση στα νανοσύνθετα υλικά έχει τη μεγαλύτερη σημασία. Τα νανοσύνθετα υλικά προσφέρουν τεχνολογικά και οικονομικά πλεονεκτήματα για σχεδόν όλους τους βιομηχανικούς τομείς, συμπεριλαμβανομένων της αεροδιαστημικής, της αυτοκινητοβιομηχανίας, της ηλεκτρονικής, της βιοτεχνολογίας, της φαρμακευτικής και της ιατρικής. Ένα ακόμη μεγάλο πλεονέκτημα είναι η φιλικότητά τους προς το περιβάλλον.
Οι υπέρηχοι ισχύος βελτιώνουν τη διαβρεξιμότητα και την ομογενοποίηση μεταξύ της μήτρας και των σωματιδίων μέσω της έντονης ανάμειξης και διασποράς που προκαλούνται από τη σπηλαίωση υπερήχων. Καθώς η κατεργασία με υπερήχους είναι η πλέον διαδεδομένη και η πιο επιτυχημένη μέθοδος διασποράς για τα νανοϋλικά, τα συστήματα υπερήχων της Hielscher είναι εγκατεστημένα σε εργαστήρια, πιλοτικές μονάδες και μονάδες παραγωγής παγκοσμίως.