Preparación por ultrasonidos del caucho reforzado

• Los cauchos reforzados presentan mayor resistencia a la tracción, alargamiento, resistencia a la abrasión y mejor estabilidad al envejecimiento.
• Las cargas, como el negro de carbono (por ejemplo, CNT, MWNT), el grafeno o la sílice, deben dispersarse homogéneamente en la matriz para proporcionar las propiedades deseadas al material.
• Los ultrasonidos de potencia proporcionan una calidad de distribución superior de nanopartículas monodispersas con propiedades altamente reforzantes.

Dispersión ultrasónica

La ultrasonicación se emplea ampliamente para dispersar nanomateriales como nanopartículas monodispersas y nanotubos, ya que los ultrasonidos mejoran enormemente la separación y funcionalización de las partículas y los tubos.
Los equipos de dispersión por ultrasonidos crean cavitación y altas fuerzas de cizallamiento para interrumpir, desaglomerar, desenredar y dispersar nanopartículas y nanotubos. La intensidad de la sonicación puede ajustarse y controlarse con precisión para que los parámetros de procesamiento ultrasónico se adapten perfectamente, teniendo en cuenta la concentración, la aglomeración y la alineación/entrelazamiento del nanomaterial. De este modo, los nanomateriales pueden procesarse de forma óptima en función de los requisitos específicos de sus materiales. Las condiciones óptimas de dispersión debidas a los parámetros del proceso ultrasónico ajustados individualmente dan como resultado un nanocompuesto de caucho final de alta calidad con características de refuerzo superiores de los nanoaditivos y rellenos.
Debido a la superior calidad de dispersión de los ultrasonidos y a la dispersión uniforme que se consigue con ello, basta con una carga de relleno muy baja para obtener excelentes características del material.

Caucho reforzado con carbono negro por ultrasonidos

El negro de humo es una de las cargas más importantes de los cauchos, especialmente de los neumáticos, para dar al material de caucho resistencia a la abrasión y a la tracción. Las partículas de negro de humo son muy propensas a formar agregados difíciles de dispersar homogéneamente. El negro de carbón se utiliza habitualmente en pinturas, esmaltes, tintas de impresión, colorantes de nailon y plástico, mezclas de látex, mezclas de cera, revestimientos fotográficos, etc.
La dispersión ultrasónica permite desaglomerar y mezclar uniformemente con una monodispersidad muy elevada de las partículas.
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Caucho reforzado con CNT/ MWCNT por ultrasonidos

Los homogeneizadores ultrasónicos son potentes sistemas de dispersión que pueden controlarse y ajustarse con precisión a los requisitos del proceso y del material. El control preciso de los parámetros del proceso ultrasónico es especialmente importante para dispersar nanotubos como los MWNT o los SWNT, ya que los nanotubos deben desenredarse en tubos individuales sin sufrir daños (por ejemplo, escisión). Los nanotubos no dañados ofrecen una elevada relación de aspecto (hasta 132.000.000:1), por lo que proporcionan una resistencia y rigidez excepcionales cuando se formulan en un compuesto. Una sonicación potente y ajustada con precisión supera las fuerzas de Van der Waals y dispersa y desenreda los nanotubos, lo que da como resultado un material de caucho de alto rendimiento con una resistencia a la tracción y un módulo elástico excepcionales.
Además, funcionalización ultrasónica se utiliza para modificar nanotubos de carbono con el fin de obtener propiedades deseadas que puedan utilizarse en múltiples aplicaciones.

Caucho reforzado con nanosílice por ultrasonidos

Los dispersores ultrasónicos proporcionan una distribución de partículas altamente uniforme de sílice (SiO₂) en soluciones de polímeros de caucho. Sílice (SiO₂) deben distribuirse homogéneamente como partículas monodispersas en estireno-butadieno polimerizado y otros cauchos. Las nano partículas de SiO₂ actúa como agente de refuerzo, que mejora la tenacidad, resistencia, alargamiento, flexión y anti-envejecimiento de rendimiento, de manera significativa. Para las nanopartículas se aplica: Cuanto menor es el tamaño de las partículas, mayor es su superficie específica. Con una mayor relación superficie/volumen (S/V), se obtienen mejores efectos estructurales y de refuerzo, lo que aumenta la resistencia a la tracción y la dureza de los productos de caucho.
La dispersión ultrasónica de nanopartículas de sílice permite controlar exactamente los parámetros del proceso para obtener una morfología esférica, un tamaño de partícula ajustado con precisión y una distribución de tamaños muy estrecha.
La sílice dispersada por ultrasonidos da como resultado el mayor rendimiento material del caucho así reforzado.
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Dispersión por ultrasonidos de aditivos de refuerzo

Se ha demostrado que la sonicación dispersa muchos otros materiales nanoparticulados para mejorar el módulo, la resistencia a la tracción y las propiedades de fatiga de los compuestos de caucho. Dado que el tamaño de las partículas, la forma, el área superficial y la actividad superficial de las cargas y los aditivos de refuerzo son cruciales para su rendimiento, los dispersores ultrasónicos potentes y fiables son uno de los métodos más utilizados para formular partículas de tamaño micro y nanométrico en productos de caucho.
Los aditivos y cargas típicos, que se incorporan por sonicación como partículas uniformemente distribuidas o monodispersas en matrices de caucho, son el carbonato cálcico, la arcilla de caolín, la sílice pirógena, la sílice precipitada, el óxido de grafito, el grafeno, la mica, el talco, la barita, la wollastonita, los silicatos precipitados, la sílice pirógena y la diatomita.
Cuando el ácido oleico funcionalizado TiO₂ se dispersan por ultrasonidos en caucho de estireno-butadieno, incluso una cantidad muy pequeña de las nanopartículas oleico-SiO₂ da lugar a una mejora significativa del módulo, la resistencia a la tracción y las propiedades de fatiga, y funciona como agente protector contra la fotodegradación y la termo degradación.

• Trihidrato de alúmina (Al₂O₃) se añade como retardante de llama, para mejorar la conductividad térmica y para la resistencia al rastreo y a la erosión.
• Las cargas de óxido de zinc (ZnO) aumentan la permitividad relativa y la conductividad térmica.
• Dióxido de titanio (TiO₂) mejora la conductividad térmica y eléctrica.
• Carbonato cálcico (CaCO₃) se utiliza como aditivo debido a sus propiedades mecánicas, reológicas y retardantes de la llama.
• Titanato de bario (BaTiO₃) aumenta la estabilidad térmica.
• grafeno y el óxido de grafeno (GO) proporcionan unas características mecánicas, eléctricas, térmicas y ópticas superiores.
• nanotubos de carbono (CNT) mejoran notablemente propiedades mecánicas como la resistencia a la tracción y la conductividad eléctrica y térmica.
• Los nanotubos de carbono multipared (MWNT) mejoran el módulo de Young y el límite elástico. Por ejemplo, tan solo un 1 % en peso de MWNT en un epoxi aumenta el módulo de Young y el límite elástico en un 100 % y un 200 %, respectivamente, en comparación con la matriz pura.
• Nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) mejoran las propiedades mecánicas y la conductividad térmica.
• Las nanofibras de carbono (CNF) añaden fuerza, resistencia al calor y durabilidad.
• Nanopartículas metálicas como níquel, hierro, cobre, cinc, aluminio y Plata para mejorar la conductividad eléctrica y térmica.
• Nanomateriales orgánicos como montmorillonita mejorar las propiedades mecánicas e ignífugas.

Sistemas de dispersión por ultrasonidos

Hielscher Ultrasonics ofrece una amplia gama de equipos de ultrasonidos – desde los sistemas de sobremesa más pequeños para pruebas de viabilidad hasta los de gran potencia ultrasonidos industriales con hasta 16 kW por unidad. La potencia, la fiabilidad, la capacidad de control precisa, así como su robustez, hacen que los sistemas de dispersión ultrasónica de Hielscher sean el “caballo de batalla” en la línea de producción de formulaciones micronizadas y nanoparticuladas. Nuestros ultrasonicadores son capaces de procesar dispersiones acuosas y a base de disolventes de hasta... viscosidades elevadas (hasta 10.000cp) fácilmente. Diversos sonotrodos (bocinas ultrasónicas), boosters (intensificador/disminuidor), geometrías de celdas de flujo y otros accesorios permiten adaptar de forma óptima el dispersor ultrasónico al producto y a los requisitos de su proceso.
Hielscher Ultrasonics’ procesadores ultrasónicos industriales pueden amplitudes elevadas. Las amplitudes de hasta 200 μm se pueden ejecutar de forma continua en funcionamiento 24/7 con prontitud. Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite: 24/7 operación en alta resistencia y en entornos exigentes. Los dispersores ultrasónicos de Hielscher están instalados en todo el mundo para la producción comercial a gran escala.