Preparación ultrasónica de caucho reforzado

• Los cauchos reforzados presentan mayor resistencia a la tracción, elongación, resistencia a la abrasión y mejor estabilidad frente al envejecimiento.
• Las cargas como el negro de carbono (p. ej., CNTs, MWNTs), el grafeno o la sílice deben dispersarse homogéneamente en la matriz para proporcionar las propiedades deseadas del material.
• Los ultrasonidos de potencia proporcionan una calidad de distribución superior de nanopartículas monodispersas con una elevada capacidad de refuerzo.

Dispersión ultrasónica

La ultrasonicación se utiliza ampliamente para dispersar nanomateriales, como nanopartículas monodispersas y nanotubos, ya que los ultrasonidos mejoran considerablemente la separación y la funcionalización de las partículas y los tubos.
Los equipos de dispersión ultrasónica generan cavitación y elevadas fuerzas de cizallamiento para disgregar, desaglomerar, desenredar y dispersar nanopartículas y nanotubos. La intensidad de la sonicación puede ajustarse y controlarse con precisión para adaptar perfectamente los parámetros del procesamiento ultrasónico, teniendo en cuenta la concentración, la aglomeración y la alineación o el entrelazamiento del nanomaterial. De este modo, los nanomateriales pueden procesarse de forma óptima según sus requisitos específicos. Las condiciones óptimas de dispersión, obtenidas mediante el ajuste individual de los parámetros del proceso ultrasónico, dan lugar a un nanocompuesto final de caucho de alta calidad con excelentes características de refuerzo aportadas por los nanoaditivos y las nanocargas.
Gracias a la calidad superior de la dispersión ultrasónica y a la dispersión uniforme que se consigue, basta con un contenido de carga muy bajo para obtener excelentes características del material.

Caucho reforzado con negro de carbono mediante ultrasonidos

El negro de carbono es una de las cargas más importantes en los cauchos, especialmente en los neumáticos, para conferir al material resistencia a la abrasión y a la tracción. Las partículas de negro de carbono tienen una marcada tendencia a formar agregados que son difíciles de dispersar homogéneamente. El negro de carbono se utiliza habitualmente en pinturas, esmaltes, tintas de impresión, colorantes para nailon y plásticos, mezclas de látex, mezclas de ceras, recubrimientos fotográficos y otras aplicaciones.
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 mediante 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 MWNTs o SWNTs, ya que estos deben desenredarse hasta obtener tubos individuales sin dañarlos (p. ej., por escisión). Los nanotubos intactos presentan una elevada relación de aspecto (hasta 132.000.000:1), por lo que confieren una resistencia y una rigidez excepcionales cuando se incorporan a un material compuesto. Una sonicación potente y ajustada con precisión supera las fuerzas de Van der Waals, dispersa y desenreda los nanotubos, y da lugar a un material de caucho de alto rendimiento con una resistencia a la tracción y un módulo elástico excepcionales.
Además, la funcionalización ultrasónica se utiliza para modificar los nanotubos de carbono con el fin de obtener las propiedades deseadas para múltiples aplicaciones.

Caucho reforzado con nanosílice mediante ultrasonidos

Los dispersores ultrasónicos proporcionan una distribución muy uniforme de las nanopartículas de sílice (SiO₂) en soluciones de polímeros de caucho. Las nanopartículas de sílice (SiO₂) deben distribuirse homogéneamente como partículas monodispersas en estireno-butadieno polimerizado y otros cauchos. La nanosílice SiO₂ monodispersa actúa como agente de refuerzo y mejora significativamente la tenacidad, la resistencia, la elongación, el comportamiento a flexión y la resistencia al envejecimiento. En las nanopartículas se cumple lo siguiente: cuanto menor es el tamaño de partícula, mayor es su superficie específica. Con una relación superficie/volumen (S/V) más elevada 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 con exactitud 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 mediante ultrasonidos proporciona el máximo rendimiento del caucho reforzado de este modo.
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Dispersión ultrasónica 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 materiales compuestos de caucho. Dado que el tamaño, la forma, la superficie y la actividad superficial de las partículas de las cargas y los aditivos de refuerzo son fundamentales para su rendimiento, los dispersores ultrasónicos potentes y fiables constituyen uno de los métodos más utilizados para incorporar partículas de tamaño micrométrico y nanométrico a los productos de caucho.
Los aditivos y las cargas típicos que se incorporan mediante sonicación como partículas uniformemente distribuidas o monodispersas en matrices de caucho son el carbonato de calcio, la arcilla de caolín, la sílice pirogénica, la sílice precipitada, el óxido de grafito, el grafeno, la mica, el talco, la barita, la wollastonita, los silicatos precipitados, la sílice pirogénica y la diatomita.
Cuando las nanopartículas de TiO₂ funcionalizadas con ácido oleico se dispersan mediante ultrasonidos en caucho de estireno-butadieno, incluso una cantidad muy pequeña de SiO₂ funcionalizada con ácido oleico mejora significativamente el módulo, la resistencia a la tracción y las propiedades de fatiga, y actúa como agente protector frente a la fotodegradación y la degradación térmica.

• La alúmina trihidratada (Al₂O₃) se añade como retardante de llama, para mejorar la conductividad térmica y para proporcionar resistencia a la formación de caminos conductores y a la erosión.
• Las cargas de óxido de zinc (ZnO) aumentan la permitividad relativa y la conductividad térmica.
• El dióxido de titanio (TiO₂) mejora la conductividad térmica y eléctrica.
• El carbonato de calcio (CaCO₃) se utiliza como aditivo por sus propiedades mecánicas, reológicas y retardantes de llama.
• El titanato de bario (BaTiO₃) aumenta la estabilidad térmica.
• El grafeno y el óxido de grafeno (GO) proporcionan al material propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas y ópticas superiores.
• Los nanotubos de carbono (CNTs) mejoran significativamente las propiedades mecánicas, como la resistencia a la tracción y la conductividad eléctrica y térmica.
• Los nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWNTs) mejoran el módulo de Young y el límite elástico. Por ejemplo, incorporar tan solo 1 wt.% de MWNTs a una resina epoxi aumenta el módulo de Young y el límite elástico en un 100% y un 200%, respectivamente, en comparación con la matriz pura.
• Los nanotubos de carbono de pared simple (SWNTs) mejoran las propiedades mecánicas y la conductividad térmica.
• Las nanofibras de carbono (CNF) aportan resistencia mecánica, resistencia al calor y durabilidad.
• Las nanopartículas metálicas, como las de níquel, hierro, cobre, zinc, aluminio y plata , se añaden para mejorar la conductividad eléctrica y térmica.
• Los nanomateriales orgánicos, como la montmorillonita , mejoran las propiedades mecánicas y retardantes de llama.

Sistemas de dispersión ultrasónica

Hielscher Ultrasonics ofrece una amplia gama de equipos ultrasónicos – desde pequeños sistemas de sobremesa para ensayos de viabilidad hasta unidades industriales de ultrasonicación para trabajo intensivo con hasta 16 kW por unidad. La potencia, la fiabilidad, la capacidad de control preciso y la robustez convierten a los sistemas de dispersión ultrasónica de Hielscher en el «caballo de batalla» de las líneas de producción de formulaciones con partículas micrométricas y nanométricas. Nuestros sonicadores pueden procesar fácilmente dispersiones acuosas y basadas en disolventes incluso con viscosidades elevadas (hasta 10.000cp) . Los distintos sonotrodos (bocinas ultrasónicas), amplificadores de amplitud (intensificadores/reductores), 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.
Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Se puede operar de inmediato con amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en régimen 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes. Los dispersores ultrasónicos de Hielscher están instalados en todo el mundo para la producción comercial a gran escala.