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 humo (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

dispersión ultrasónicaLa 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 desorganizar, 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/entrelazado del nanomaterial. De este modo, los nanomateriales pueden procesarse de forma óptima en función de sus requisitos específicos. Las condiciones óptimas de dispersión debidas a los parámetros de 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.

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UIP16000 - Dispersor ultrasónico industrial de 16 kW (¡Haga clic para ampliar!)

sistema ultrasónico industrial

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.
Haga clic aquí para obtener más información sobre la dispersión ultrasónica para materiales compuestos reforzados.

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.

El carbón activado se utiliza en productos cosméticos y farmacéuticos. La dispersión ultrasónica es un método muy eficaz para dispersar el carbón activado en suspensiones.

Ultrasonidos para la dispersión continua de nanomateriales, negro de carbón o carbón activado.

Caucho reforzado con nanosílice por ultrasonidos

Nanosílice dispersada por ultrasonidos (¡Haga clic para ampliar!)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, elongación, 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 reforzado de este modo.
Haga clic aquí para obtener más información sobre la dispersión ultrasónica de SiO2!

Dispersión por ultrasonidos de aditivos de refuerzo

El ultrasonido UP200S para la modificación y reducción del tamaño de las partículas (¡Haga clic para ampliar!)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 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.

Dispersión ultrasónica de nanotubos de carbono: El ultrasonicador UP400S (400W) de Hielscher dispersa y desenreda los CNT rápida y eficazmente en nanotubos individuales.

Dispersión de nanotubos de carbono en agua con el UP400S

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  • 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 pequeños sistemas de sobremesa para pruebas de viabilidad hasta ultrasonidos industriales con hasta 16 kW por unidad. Su potencia, fiabilidad, control preciso y robustez convierten a los sistemas de dispersión por ultrasonidos de Hielscher en la solución perfecta. “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 200µm pueden funcionar de forma continua y puntual las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos de ultrasonidos 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.

Desarrollamos soluciones personalizadas para un proceso ultrasónico óptimo.

Configuración ultrasónica personalizada para nanodispersiones

Dispersión ultrasónica de sílice pirógena: El homogeneizador ultrasónico UP400S de Hielscher dispersa el polvo de sílice de forma rápida y eficiente en nano partículas individuales.

Dispersión de sílice pirogénica en agua con el UP400S

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En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del loteTasa de flujoDispositivos recomendados
10 a 2000 mL20 a 400 mL/min.UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L0,2 a 4 L/minUIP2000hdT
10 a 100 L2 a 10 L/minUIP4000
n.a.10 a 100 L/minUIP16000
n.a.mayorGrupo de UIP16000

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Por favor, utilice el siguiente formulario si desea más información sobre procesos de homogeneización por ultrasonidos. Estaremos encantados de ofrecerle un equipo ultrasónico que cumpla con sus requerimientos.









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Ultrasonicator UP200St (200W) dispersando negro de carbón en agua usando 1%wt Tween80 como surfactante.

Dispersión ultrasónica de negro de humo con el ultrasonicador UP200St

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Literatura / Referencias

Información interesante

caucho sintético

Un caucho sintético es cualquier elastómero artificial. Los cauchos sintéticos son principalmente polímeros sintetizados a partir de subproductos del petróleo y se fabrican, como otros polímeros, a partir de diversos monómeros derivados del petróleo. El caucho sintético más extendido es el estireno-butadieno (SBR), derivado de la copolimerización del estireno y el 1,3-butadieno. Otros cauchos sintéticos se preparan a partir de isopreno (2-metil-1,3-butadieno), cloropreno (2-cloro-1,3-butadieno) e isobutileno (metilpropeno) con un pequeño porcentaje de isopreno para la reticulación. Estos y otros monómeros pueden mezclarse en distintas proporciones para copolimerizarlos y obtener productos con distintas propiedades físicas, mecánicas y químicas. Los monómeros pueden producirse puros y la adición de impurezas o aditivos puede controlarse mediante diseño para obtener propiedades óptimas. La polimerización de monómeros puros puede controlarse mejor para obtener una proporción deseada de dobles enlaces cis y trans.
El caucho sintético, al igual que el natural, se utiliza ampliamente en la industria del automóvil para neumáticos, perfiles de puertas y ventanas, mangueras, correas, alfombrillas y suelos.

caucho natural

El caucho natural también se conoce como caucho de la India o caucho. El caucho natural se clasifica como elastómero y está formado principalmente por polímeros del compuesto orgánico poli-cis-isopreno y agua. Contiene trazas de impurezas como proteínas, suciedad, etc. El caucho natural, que se obtiene como látex del árbol del caucho Hevea Brasiliensispresenta excelentes propiedades mecánicas. Sin embargo, en comparación con los cauchos sintéticos, el caucho natural presenta un menor rendimiento como material, especialmente en lo que respecta a su estabilidad térmica y su compatibilidad con los productos derivados del petróleo. El caucho natural tiene una amplia gama de aplicaciones, solo o en combinación con otros materiales. Se utiliza sobre todo por su gran elasticidad, su alta resiliencia y su altísima estanqueidad. El punto de fusión del caucho es de aproximadamente 180°C (356°F).

La tabla siguiente ofrece una visión general de los distintos tipos de caucho:

ISONombre técnicoNombre común
ACMGoma de poliacrilato
AEMGoma de etileno-acrilato
AuPoliéster Uretano
BIIRBromo Isobutileno IsoprenoBromobutilo
BRPolibutadienoBuna CB
CIIRCloro Isobutileno IsoprenoClorobutilo, Butilo
CRPolicloroprenoCloropreno, Neopreno
CSMPolietileno clorosulfonadoHypalon
ECOEpiclorhidrinaECO, epiclorhidrina, epicloro, epicloridrina, herclor, hidrina
EPEtileno Propileno
EPDMMonómero etileno propileno dienoEPDM, Nordel
UEPoliéter Uretano
FFKMCaucho perfluorocarbonoKalrez, Chemraz
FKMHidrocarburo fluoradoViton, Fluorel
FMQSilicona fluoradaFMQ, caucho de silicona
FPMCaucho fluorocarbono
HNBRNitrilo butadieno hidrogenadoHNBR
IRPolisoprenoCaucho natural (sintético)
IIRIsobutileno Isopreno ButiloButilo
NBRAcrilonitrilo ButadienoNBR, Nitrilo, Perbunan, Buna-N
PUpoliuretanoPU, poliuretano
SBREstireno ButadienoSBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE
SEBSCopolímero de estireno, etileno, butileno y estirenoGoma SEBS
SiPolisiloxanoGoma de silicona
VMQVinil metil siliconaGoma de silicona
XNBRAcrilonitrilo butadieno carboxi monómeroXNBR, nitrilo carboxilado
XSBRMonómero de estireno butadieno carboxi
YBPOPoliéter-éster termoplástico
YSBRCopolímero en bloque de estireno-butadieno
YXSBRCopolímero en bloque de estireno butadieno carboxi

SBR

El estireno-butadieno o caucho estireno-butadieno (SBR) designa los cauchos sintéticos derivados del estireno y el butadieno. El estireno-butadieno reforzado se caracteriza por su gran resistencia a la abrasión y sus buenas propiedades antienvejecimiento. La proporción entre estireno y butadieno determina las propiedades del polímero: con un alto contenido de estireno, los cauchos se vuelven más duros y menos gomosos.
Las limitaciones del SBR no reforzado se deben a su baja resistencia sin refuerzo, su baja resiliencia, su baja resistencia al desgarro (sobre todo a altas temperaturas) y su escasa pegajosidad. Por lo tanto, se necesitan agentes de refuerzo y cargas para mejorar las propiedades del SBR. Por ejemplo, se utilizan rellenos de negro de humo para aumentar la resistencia y la resistencia a la abrasión.

Estireno

Estireno (C8H8) se conoce con diversos nombres, como etilbenceno, vinilbenceno, fenileteno, feniletileno, cinameno, estirol, diarex HF 77, estiroleno y estiropol. Es un compuesto orgánico con la fórmula química C6H5CH=CH2. El estireno es el precursor del poliestireno y de varios copolímeros.
Es un derivado del benceno y se presenta como un líquido aceitoso incoloro, que se evapora con facilidad. El estireno tiene un olor dulce, que se convierte a altas concentraciones en un olor menos agradable.
En presencia de un grupo vinilo, el estireno forma un polímero. Los polímeros a base de estireno se fabrican comercialmente para obtener productos como poliestireno, ABS, caucho de estireno-butadieno (SBR), látex de estireno-butadieno, SIS (estireno-isopreno-estireno), S-EB-S (estireno-etileno-butileno-estireno), estireno-divinilbenceno (S-DVB), resina de estireno-acrilonitrilo (SAN) y poliésteres insaturados que se utilizan en resinas y compuestos termoestables. Estos materiales son componentes importantes para la producción de caucho, plástico, aislantes, fibra de vidrio, tuberías, piezas de automóviles y barcos, envases alimentarios y soportes de alfombras.

Aplicaciones del caucho

El caucho tiene muchas características como resistencia, larga duración, resistencia al agua y resistencia al calor. Estas propiedades hacen que el caucho sea muy versátil, por lo que se utiliza en muchas industrias. El principal uso del caucho es la industria del automóvil, sobre todo para la fabricación de neumáticos. Otras características como su antideslizamiento, suavidad, durabilidad y resiliencia hacen del caucho un compuesto muy utilizado en la fabricación de zapatos, suelos, suministros médicos y sanitarios, productos para el hogar, juguetes, artículos deportivos y muchos otros productos de caucho.

Nanoaditivos y rellenos

Las cargas y aditivos nanométricos de los cauchos actúan como agentes de refuerzo y protección para mejorar la resistencia a la tracción, a la abrasión, al desgarro y a la histéresis, así como para preservar contra la degradación térmica y fotoquímica del caucho.

sílice

Sílice (SiO2dióxido de silicio) se utiliza en muchas formas, como la sílice amorfa, la sílice pirógena, el humo de sílice o la sílice precipitada, para mejorar las características de los materiales en cuanto a propiedades mecánicas dinámicas, resistencia al envejecimiento térmico y morfología. Los compuestos rellenos de sílice muestran un aumento de la viscosidad y de la densidad de reticulación, respectivamente, al aumentar el contenido de relleno. La dureza, el módulo, la resistencia a la tracción y las características de desgaste mejoraron progresivamente al aumentar la cantidad de relleno de sílice.

negro de humo

El negro de humo es una forma de carbono paracristalino con complejos de oxígeno quimisorbidos (como grupos carboxílicos, quinónicos, lactónicos, fenólicos y otros) adheridos a su superficie. Estos grupos de oxígeno superficiales suelen agruparse bajo el término “complejos volátiles”. Debido a este contenido volátil, el negro de humo es un material no conductor. Con los complejos carbono-oxígeno, las partículas de negro de humo funcionalizadas son más fáciles de dispersar.
La elevada relación superficie-volumen del negro de humo lo convierte en una carga de refuerzo habitual. Casi todos los productos de caucho, para los que son esenciales la resistencia a la tracción y a la abrasión, utilizan negro de humo. La sílice precipitada o pirógena se utiliza como sustituto del negro de humo cuando es necesario reforzar el caucho pero debe evitarse el color negro. Sin embargo, los rellenos a base de sílice están ganando cuota de mercado también en los neumáticos de automoción, porque el uso de rellenos de sílice da lugar a una menor pérdida de rodadura en comparación con los neumáticos rellenos de negro de humo.
La tabla siguiente ofrece una visión general de los tipos de negro de humo utilizados en neumáticos

NombreAbreviaturaastmTamaño de las partículas nmResistencia a la tracción MPaAbrasión relativa en laboratorioAbrasión relativa por el desgaste de la calzada
Horno Super AbrasionSAFN11020-2525.21.351.25
SAE intermedioISAFN22024-3323.11.251.15
Horno de alta abrasiónHAFN33028-3622.41.001.00
Canal de procesamiento sencilloEPCN30030-3521.70.800.90
Horno de extrusión rápidaFEFN55039-5518.20.640.72
Horno de alto móduloHMFN66049-7316.10.560.66
Horno de semirreforzadoSRFN77070-9614.70.480.60
Térmica finaFTN880180-20012.60.22
Térmica mediaMTN990250-3509.80.18

Óxido de grafeno

El óxido de grafeno disperso en SBR proporciona una gran resistencia a la tracción y al desgarro, así como una excelente resistencia al desgaste y al rodamiento, propiedades importantes para la fabricación de neumáticos. El SBR reforzado con óxido de grafeno y sílice ofrece una alternativa competitiva para la fabricación de neumáticos respetuosos con el medio ambiente, así como para la producción de compuestos de caucho de alto rendimiento. El grafeno y el óxido de grafeno pueden exfoliarse con éxito, fiabilidad y facilidad mediante sonicación. Haga clic aquí para obtener más información sobre la fabricación de grafeno por ultrasonidos.

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