Formulación ultrasónica de 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 notablemente superiores, por lo que se utilizan ampliamente en la fabricación de productos de colectores.
- Se ha demostrado que la sonicación produce nanocompuestos de alta calidad con CNT, grafeno, etc. muy dispersos.
- Existen equipos de ultrasonidos para la formulación de materiales compuestos reforzados a escala industrial.
nanocompuestos
Los nanocomposites destacan por sus propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, ópticas, electroquímicas y/o catalíticas.
Debido a su relación superficie/volumen excepcionalmente alta de la fase de refuerzo y/o a su relación de aspecto excepcionalmente alta, los nanocompuestos son significativamente más eficaces que los compuestos convencionales. Con frecuencia se utilizan como refuerzo 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, los nanotubos de carbono se añaden para mejorar la conductividad eléctrica y térmica, la nano sílice se utiliza para mejorar las propiedades mecánicas, térmicas y de resistencia al agua. Otros tipos de nanopartículas mejoran las propiedades ópticas, dieléctricas, de resistencia al calor o mecánicas, como la rigidez, la fuerza y la resistencia a la corrosión y los daños.
Ejemplos de nanocompuestos formulados por ultrasonidos:
- nanotubos de carbono (CNT) en una matriz de éster vinílico
- CNTs / cebollas de carbono / nano diamantes en una matriz metálica de níquel
- CNT en una matriz de aleación de magnesio
- CNT en una matriz de alcohol polivinílico (PVA)
- nanotubos de carbono multipared (MWCNT) en una matriz de resina epoxídica (utilizando anhídrido metil tetrahidroftálico (MTHPA) como agente de curado)
- óxido de grafeno en una matriz de poli(alcohol vinílico) (PVA)
- Nanopartículas de SiC en una matriz de magnesio
- nano sílice (Aerosil) en una matriz de poliestireno
- óxido de hierro magnético en una matriz flexible de poliuretano (PU)
- óxido de níquel en un grafito/poli(cloruro de vinilo)
- nanopartículas de titania en una matriz de ácido poliláctico-co-glicólico (PLGA)
- nano hidroxiapatita en una matriz de ácido poliláctico-co-glicólico (PLGA)
Dispersión ultrasónica
Los parámetros del proceso ultrasónico pueden controlarse con exactitud y adaptarse de forma óptima a la composición del material y a la calidad de salida deseada. La dispersión ultrasónica es la técnica recomendada para incorporar nanopartículas como CNT o grafeno en nanocomposites. Probada desde hace tiempo a nivel científico e implementada en muchas plantas de producción industrial, la dispersión ultrasónica y la formulación de nanocomposites es un método bien establecido. La larga experiencia de Hielscher en el procesamiento por ultrasonidos de nanomateriales garantiza un asesoramiento exhaustivo, la recomendación de una configuración de ultrasonidos adecuada y la asistencia durante el desarrollo y la optimización del proceso.
En la mayoría de los casos, las nanopartículas de refuerzo se dispersan en la matriz durante el procesado. El porcentaje en peso (fracción de masa) del nanomaterial añadido oscila en la escala inferior, por ejemplo del 0,5% al 5%, ya que la dispersión uniforme conseguida por sonicación permite ahorrar los rellenos de refuerzo y obtener un mayor rendimiento del refuerzo.
Una aplicación típica de los ultrasonidos en la fabricación es la formulación de compuestos de nanopartículas y resina. Para producir éster vinílico reforzado con CNT, se utiliza la sonicación para dispersar y funcionalizar los CNT. Estos CNT-éster vinílico se caracterizan por unas propiedades eléctricas y mecánicas mejoradas.
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Nanopartículas funcionalizadas por ultrasonidos
Dispositivo ultrasónico UIP1500hd con reactor de flujo continuo
grafeno
El grafeno ofrece propiedades físicas excepcionales, una elevada relación de aspecto y baja densidad. El grafeno y el óxido de grafeno se integran en una matriz compuesta para obtener polímeros ligeros y de alta resistencia. Para conseguir el refuerzo mecánico, las láminas / plaquetas de grafeno deben estar muy finamente dispersas, ya que las láminas de grafeno aglomeradas limitan drásticamente el efecto de refuerzo.
La investigación científica ha demostrado que la magnitud de la mejora depende sobre todo del grado de dispersión de las láminas de grafeno en la matriz. Sólo el grafeno dispersado homogéneamente produce los efectos deseados. Debido a su fuerte hidrofobicidad y a la atracción de van der Waals, el grafeno es propenso a agregarse y aglomerarse en copos de láminas monocapa de interacción débil.
Mientras que las técnicas de dispersión comunes a menudo no pueden producir dispersiones de grafeno homogéneas y sin daños, los ultrasonidos de alta potencia producen dispersiones de grafeno de alta calidad. Los ultrasonicadores de Hielscher manipulan grafeno prístino, óxido de grafeno y óxido de grafeno reducido de baja a alta concentración y de volúmenes pequeños a grandes sin problemas. Un disolvente de uso común es la N-metil-2-pirrolidona (NMP), pero con ultrasonidos de alta potencia, el grafeno puede dispersarse incluso en disolventes pobres de bajo punto de ebullición como la acetona, el cloroformo, el IPA y la ciclohexanona.
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Nanotubos de carbono y otros nanomateriales
Se ha demostrado que los ultrasonidos de potencia producen dispersiones de tamaño fino de diversos nanomateriales, como nanotubos de carbono (CNT), SWNT, MWNT, 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 moler y dispersar nanopartículas, se obtienen excelentes resultados sintetizando nanopartículas mediante precipitación ultrasónica (síntesis ascendente). Se ha observado que el tamaño de las partículas, por ejemplo de la magnetita sintetizada por ultrasonidos, el molibdato sódico de zinc y otros, es inferior al obtenido mediante el método convencional. El menor tamaño se atribuye a la mayor tasa de nucleación y a los mejores patrones de mezcla debidos al cizallamiento y la turbulencia generados por la cavitación ultrasónica.
Haga clic aquí para obtener más información sobre la precipitación ascendente ultrasónica.
Funcionalización ultrasónica de partículas
La superficie específica de una partícula aumenta con la reducción de tamaño. Especialmente en nanotecnología, la expresión de las características del material aumenta significativamente con el aumento de la superficie de la partícula. El área superficial puede aumentarse y modificarse por ultrasonidos fijando moléculas funcionales adecuadas en la superficie de la partícula. En cuanto a la aplicación y el uso de nanomateriales, las propiedades de la superficie son tan importantes como las del núcleo de la partícula.
Las partículas funcionalizadas por ultrasonidos se utilizan ampliamente en polímeros, compuestos & biocomposites, nanofluidos, dispositivos ensamblados, nanomedicinas, etc. Mediante la funcionalización de las partículas, características como la estabilidad, la resistencia & se mejoran drásticamente la rigidez, la solubilidad, la polidispersidad, la fluorescencia, el magnetismo, el superparamagnetismo, la absorción óptica, la alta densidad electrónica, la fotoluminiscencia, etc.
Partículas comunes que se funcionalizan comercialmente con Hielscher’ Los sistemas ultrasónicos incluyen CNT, SWNT, MWNT, grafeno, grafito, sílice (SiO2), nanodiamantes, magnetita (óxido de hierro, Fe3O4), nano partículas de plata, nano partículas de oro, poroso & nanopartículas mesoporosas, etc.
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dispersores ultrasónicos
Los equipos de dispersión por ultrasonidos de Hielscher están disponibles para laboratorio, sobremesa y producción industrial. Los ultrasonidos de Hielscher son fiables, robustos, fáciles de manejar y limpiar. Los equipos están diseñados para funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana, en condiciones de uso intensivo. Los sistemas de ultrasonidos pueden utilizarse para procesamiento por lotes y en línea. – flexible y fácilmente adaptable a sus procesos y requisitos.
Capacidades de ultrasonidos por lotes y en línea
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| De 5 a 200 ml | De 50 a 500 mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 a 2L | 0.25 a 2m3/h | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 a 10L | 1 a 8 m3/h | UIP4000 |
| n.a. | 4 a 30 m3/h | UIP16000 |
| n.a. | por encima de 30 m3/h | Grupo de UIP10000 o UIP16000 |
Dispositivo ultrasónico de laboratorio para la funcionalización de partículas
Literatura/Referencias
- 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): 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): La preparación de material compuesto de óxido de grafeno-poliestireno. 3ª Conferencia Internacional sobre Medio Ambiente, Química y Biología. IPCBEE vol.78, 2014.
Información interesante
Acerca de los materiales compuestos
Los materiales compuestos (también conocidos como materiales de composición) se describen como un material fabricado a partir de dos o más constituyentes que se caracterizan por propiedades físicas o químicas significativamente diferentes. Cuando esos materiales constituyentes se combinan, se obtiene un nuevo material – el llamado compuesto – que presenta características diferentes de los componentes individuales. Los componentes individuales permanecen separados y diferenciados dentro de la estructura acabada.
El nuevo material tiene mejores propiedades, por ejemplo, es más fuerte, más ligero, más resistente o menos costoso en comparación con los materiales convencionales. Las mejoras de los nanocomposites abarcan desde propiedades mecánicas, eléctricas / conductoras , térmicas, ópticas, electroquímicas hasta catalíticas.
Entre los materiales compuestos de ingeniería típicos se incluyen:
- biocomposites
- plásticos reforzados, como el polímero reforzado con fibras
- compuestos metálicos
- materiales compuestos cerámicos (matriz cerámica y matriz metálica)
Los materiales compuestos se utilizan generalmente para la construcción y estructuración de materiales como cascos de barcos, encimeras, carrocerías de coches, bañeras, depósitos, imitaciones de granito y fregaderos de mármol cultivado, así como en naves espaciales y aeronaves.
Los compuestos también pueden utilizar fibras metálicas que refuerzan otros metales, como en los compuestos de matriz metálica (MMC) o los compuestos de matriz cerámica (CMC), que incluyen hueso (hidroxiapatita reforzada con fibras de colágeno), cermet (cerámica y metal) y hormigón.
Los compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico incluyen el hormigón asfáltico, el hormigón polímero, el asfalto fundido, el híbrido de rodillo fundido, el compuesto dental, la espuma sintáctica y el nácar.
Efectos de los ultrasonidos en las partículas
Las propiedades de las partículas pueden observarse cuando su tamaño se reduce a un nivel determinado (conocido como tamaño crítico). Cuando las dimensiones de las partículas alcanzan el nivel nanométrico, las interacciones en las interfaces de fase mejoran en gran medida, lo que resulta crucial para mejorar las características de los materiales. Por tanto, la relación superficie/volumen de los materiales utilizados como refuerzo en los nanocomposites es muy importante. Los nanocomposites ofrecen ventajas tecnológicas y económicas a casi todos los sectores industriales, como el aeroespacial, el automovilístico, el electrónico, el biotecnológico, el farmacéutico y el médico. Otra gran ventaja es que son respetuosos con el medio ambiente.
Los ultrasonidos de potencia mejoran la humectabilidad y la homogeneización entre la matriz y las partículas por su intensa mezcla y dispersión – generado por Cavitación ultrasónica. Dado que la sonicación es el método de dispersión más utilizado y de mayor éxito cuando se trata de nanomateriales, los sistemas de ultrasonidos de Hielscher están instalados en laboratorios, plantas piloto y plantas de producción de todo el mundo.