Formulación ultrasónica de materiales compuestos reforzados
- Los materiales compuestos presentan propiedades únicas, como una estabilidad térmica, un módulo elástico, una resistencia a la tracción y una resistencia a la fractura significativamente superiores, por lo que se utilizan ampliamente en la fabricación de numerosos productos.
- Se ha demostrado que la sonicación produce nanocompuestos de alta calidad con CNTs, grafeno, etc., con un alto grado de dispersión.
- Los equipos ultrasónicos para la formulación de materiales compuestos reforzados están disponibles a escala industrial.
Nanocompuestos
Los nanocompuestos destacan por sus propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, ópticas, electroquímicas y/o catalíticas.
Debido a la relación superficie/volumen excepcionalmente alta de la fase de refuerzo y/o a su relación de aspecto excepcionalmente alta, los nanocompuestos ofrecen un rendimiento significativamente superior al de los materiales compuestos convencionales. Como refuerzo se utilizan con frecuencia nanopartículas como la sílice esférica, láminas minerales como el grafeno exfoliado o la arcilla, o nanofibras como los nanotubos de carbono o las fibras electrohiladas.
Por ejemplo, se añaden nanotubos de carbono para mejorar la conductividad eléctrica y térmica, mientras que la nanosílice se utiliza para mejorar las propiedades mecánicas, térmicas y de resistencia al agua. Otros tipos de nanopartículas mejoran las propiedades ópticas, las propiedades dieléctricas, la resistencia al calor o propiedades mecánicas como la rigidez, la resistencia y la resistencia a la corrosión y a los daños.
Ejemplos de nanocompuestos formulados mediante ultrasonidos:
- nanotubos de carbono (CNT) en una matriz de éster vinílico
- CNTs / nanocebollas de carbono / nanodiamantes en una matriz metálica de níquel
- CNTs en una matriz de aleación de magnesio
- CNTs en una matriz de alcohol polivinílico (PVA)
- nanotubo de carbono de paredes múltiples (MWCNT) en una matriz de resina epoxi (utilizando anhídrido metiltetrahidroftálico (MTHPA) como agente de curado)
- óxido de grafeno en una matriz de poli(alcohol vinílico) (PVA)
- nanopartículas de SiC en una matriz de magnesio
- nanosílice (Aerosil) en una matriz de poliestireno
- óxido de hierro magnético en una matriz de poliuretano (PU) flexible
- óxido de níquel en grafito/poli(cloruro de vinilo)
- nanopartículas de dióxido de titanio en una matriz de ácido poli(láctico-co-glicólico) (PLGA)
- nanohidroxiapatita en una matriz de ácido poli(láctico-co-glicólico) (PLGA)
Dispersión ultrasónica
Los parámetros del proceso ultrasónico pueden controlarse con precisión y adaptarse de forma óptima a la composición del material y a la calidad final deseada. La dispersión ultrasónica es la técnica recomendada para incorporar nanopartículas como CNTs o grafeno en nanocompuestos. La dispersión y formulación ultrasónicas de nanocompuestos constituyen un método consolidado, probado durante muchos años en el ámbito científico e implantado en numerosas plantas de producción industrial. La amplia experiencia de Hielscher en el procesamiento ultrasónico de nanomateriales garantiza un asesoramiento exhaustivo, la recomendación de una configuración ultrasónica adecuada y asistencia durante el desarrollo y la optimización del proceso.
Por lo general, las nanopartículas de refuerzo se dispersan en la matriz durante el procesamiento. El porcentaje en peso (fracción másica) del nanomaterial añadido se sitúa en valores bajos, por ejemplo, de 0,5% a 5%, ya que la dispersión uniforme conseguida mediante sonicación permite reducir la cantidad de cargas de refuerzo y obtener un mayor rendimiento del refuerzo.
Una aplicación típica de los ultrasonidos en la fabricación es la formulación de materiales compuestos de nanopartículas y resina. Para producir éster vinílico reforzado con CNTs, se utiliza la sonicación para dispersar y funcionalizar los CNTs. Estos materiales de CNTs y éster vinílico se caracterizan por sus propiedades eléctricas y mecánicas mejoradas.
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Nanopartícula funcionalizada mediante ultrasonidos
Equipo ultrasónico UIP1500hd con reactor de flujo continuo
Grafeno
El grafeno ofrece propiedades físicas excepcionales, una alta relación de aspecto y una baja densidad. El grafeno y el óxido de grafeno se incorporan a una matriz de material compuesto para obtener polímeros ligeros y de alta resistencia. Para conseguir el refuerzo mecánico, las láminas / plaquetas de grafeno deben dispersarse muy finamente, ya que las láminas de grafeno aglomeradas limitan drásticamente el efecto de refuerzo.
Las investigaciones científicas han demostrado que la magnitud de la mejora depende principalmente del grado de dispersión de las láminas de grafeno en la matriz. Solo el grafeno dispersado de forma homogénea proporciona los efectos deseados. Debido a su marcada hidrofobicidad y a la atracción de van der Waals, el grafeno tiende a agregarse y aglomerarse en escamas formadas por láminas de una sola capa que interactúan débilmente entre sí.
Mientras que las técnicas de dispersión habituales a menudo no permiten obtener dispersiones homogéneas de grafeno sin dañarlo, los sonicadores de alta potencia producen dispersiones de grafeno de alta calidad. Los sonicadores de Hielscher procesan sin dificultad grafeno prístino, óxido de grafeno y óxido de grafeno reducido, desde concentraciones bajas hasta altas y desde volúmenes pequeños hasta grandes. Un disolvente de uso habitual es la N-metil-2-pirrolidona (NMP), pero con ultrasonidos de alta potencia el grafeno puede dispersarse incluso en disolventes poco adecuados y de bajo punto de ebullición, como acetona, cloroformo, IPA y ciclohexanona.
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Nanotubos de carbono y otros nanomateriales
Se ha demostrado que los ultrasonidos de potencia permiten obtener dispersiones de partículas finas de diversos nanomateriales, incluidos nanotubos de carbono (CNTs), SWNTs, MWNTs, fullerenos, sílice (SiO2), dióxido de titanio (TiO2), plata (Ag), óxido de zinc (ZnO), celulosa nanofibrilada y muchos otros. En general, la sonicación supera a los dispersores convencionales y puede lograr resultados únicos.
Además de la molienda y dispersión de nanopartículas, se obtienen excelentes resultados mediante la síntesis de nanopartículas por precipitación ultrasónica (síntesis ascendente). Se ha observado que el tamaño de las partículas, por ejemplo, de magnetita, molibdato de sodio y zinc y otros materiales sintetizados mediante ultrasonidos, es menor que el obtenido con el método convencional. Este menor tamaño se atribuye a una mayor velocidad de nucleación y a mejores patrones de mezcla debidos al cizallamiento y a la turbulencia generados por la cavitación ultrasónica.
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Funcionalización ultrasónica de partículas
La superficie específica de una partícula aumenta al reducirse su tamaño. Especialmente en nanotecnología, las características del material se manifiestan con mucha mayor intensidad al aumentar la superficie de la partícula. La superficie puede aumentarse y modificarse mediante ultrasonidos fijando moléculas funcionales adecuadas a la superficie de las partículas. En cuanto a la aplicación y el uso de nanomateriales, las propiedades superficiales son tan importantes como las propiedades del núcleo de las partículas.
Las partículas funcionalizadas mediante ultrasonidos se utilizan ampliamente en polímeros, materiales compuestos y biocompuestos, nanofluidos, dispositivos ensamblados, nanomedicamentos, etc. La funcionalización de partículas mejora drásticamente características como la estabilidad, la resistencia y la rigidez, la solubilidad, la polidispersidad, la fluorescencia, el magnetismo, el superparamagnetismo, la absorción óptica, la alta densidad electrónica, la fotoluminiscencia, etc.
Entre las partículas habituales que se funcionalizan comercialmente con los sistemas ultrasónicos de Hielscher se incluyen CNTs, SWNTs, MWNTs, grafeno, grafito, sílice (SiO2), nanodiamantes, magnetita (óxido de hierro, Fe3O4), nanopartículas de plata, nanopartículas de oro, nanopartículas porosas y mesoporosas, etc.
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Dispersores ultrasónicos
Los equipos de dispersión ultrasónica de Hielscher están disponibles para laboratorio, trabajo de sobremesa y producción industrial. Los sonicadores de Hielscher son fiables, robustos y fáciles de utilizar y limpiar. Los equipos están diseñados para funcionar 24/7 en condiciones de trabajo exigentes. Los sistemas ultrasónicos pueden utilizarse para el procesamiento por lotes y en línea – son flexibles y se adaptan fácilmente a su proceso y sus requisitos.
Capacidades de procesamiento ultrasónico por lotes y en línea
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 5 a 200 mL | 50 a 500 mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 a 2 L | 0,25 a 2 m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 a 10 L | 1 a 8 m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 a 30 m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | más de 30 m3/hr | conjunto de UIP10000 o UIP16000 |
Equipo ultrasónico de laboratorio para la funcionalización de partículas
Bibliografía y referencias
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): «Investigación del rendimiento de inhibición de la corrosión de un nanopigmento de molibdato de sodio y zinc preparado mediante ultrasonidos en un recubrimiento epoxi-poliamida de dos componentes. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Preparación de nuevos nanocompuestos magnéticos de espuma de poliuretano mediante el uso de nanopartículas core-shell. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Preparación de un material compuesto de óxido de grafeno–poliestireno. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.
Información de interés
Acerca de los materiales compuestos
Los materiales compuestos (también conocidos como materiales de composición) se describen como materiales formados por dos o más constituyentes que se caracterizan por tener propiedades físicas o químicas significativamente diferentes. Al combinar estos materiales constituyentes, se produce un nuevo material – el denominado material compuesto – que presenta características distintas de las de sus componentes individuales. Los componentes individuales permanecen separados y diferenciados dentro de la estructura final.
El nuevo material tiene mejores propiedades; por ejemplo, es más fuerte, más ligero, más resistente o menos costoso que los materiales convencionales. Las mejoras de los nanocompuestos abarcan propiedades mecánicas, eléctricas / conductoras, térmicas, ópticas, electroquímicas y catalíticas.
Entre los materiales compuestos de ingeniería habituales se incluyen:
- biocompuestos
- plásticos reforzados, como los polímeros reforzados con fibras
- materiales compuestos metálicos
- materiales compuestos cerámicos (materiales compuestos de matriz cerámica y de matriz metálica)
Los materiales compuestos se utilizan generalmente como materiales de construcción y estructurales en elementos como cascos de embarcaciones, encimeras, carrocerías de automóviles, bañeras, tanques de almacenamiento, granito de imitación y lavabos de mármol reconstituido, así como en naves espaciales y aeronaves.
Los materiales compuestos también pueden utilizar fibras metálicas para reforzar otros metales, como en los materiales compuestos de matriz metálica (MMC), o materiales compuestos de matriz cerámica (CMC), que incluyen el hueso (hidroxiapatita reforzada con fibras de colágeno), el cermet (cerámica y metal) y el hormigón.
Los materiales compuestos de matriz orgánica y áridos cerámicos incluyen el hormigón asfáltico, el hormigón polimérico, el asfalto mástico, mastic roller hybrid, los materiales compuestos dentales, la espuma sintáctica y el nácar.
Acerca de los efectos ultrasónicos sobre las partículas
Las propiedades de las partículas pueden observarse cuando su tamaño se reduce hasta un nivel determinado (conocido como tamaño crítico). Cuando las dimensiones de las partículas alcanzan la escala nanométrica, las interacciones en las interfaces entre fases mejoran considerablemente, lo que resulta crucial para mejorar las características de los materiales. En este contexto, la relación superficie : volumen de los materiales utilizados como refuerzo en nanocompuestos es de máxima importancia. Los nanocompuestos ofrecen ventajas tecnológicas y económicas para casi todos los sectores industriales, incluidos el aeroespacial, el automovilístico, el electrónico, el biotecnológico, el farmacéutico y el médico. Otra gran ventaja es su carácter respetuoso con el medio ambiente.
Los ultrasonidos de potencia mejoran la humectabilidad y la homogeneización entre la matriz y las partículas mediante una mezcla y dispersión intensas – generadas por cavitación ultrasónica. Dado que la sonicación es el método de dispersión más utilizado y de mayor éxito para los nanomateriales, los sistemas ultrasónicos de Hielscher están instalados en laboratorios, plantas piloto y centros de producción de todo el mundo.