Tugevdatud komposiitide ultraheliga koostamine
- Komposiitidel on ainulaadsed materjaliomadused, näiteks oluliselt parem termostabiilsus, elastsusmoodul, tõmbetugevus ja purunemistugevus, mistõttu kasutatakse neid laialdaselt mitmesuguste toodete valmistamisel.
- Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on tõestatud viis kvaliteetsete nanokomposiitide valmistamiseks, milles CNT-d, grafeen jms on tugevalt dispergeeritud.
- Tugevdatud komposiitide koostamiseks mõeldud ultraheliseadmed on saadaval tööstuslikus mastaabis.
Nanokomposiidid
Nanokomposiidid paistavad silma oma mehaaniliste, elektriliste, termiliste, optiliste, elektrokeemiliste ja/või katalüütiliste omadustega.
Tänu tugevdava faasi erakordselt suurele pindala ja ruumala suhtele ja/või erakordselt suurele kuvasuhtele on nanokomposiidid oluliselt tulemuslikumad kui tavapärased komposiidid. Tugevdamiseks kasutatakse sageli nanoosakesi, näiteks sfäärilist ränidioksiidi, mineraalseid lehti, näiteks eksfolieeritud grafeeni või savi, või nanokiude, näiteks süsiniknanotorusid või elektrokedratud kiude.
Näiteks lisatakse süsiniknanotorusid elektri- ja soojusjuhtivuse parandamiseks, nanoränidioksiidi kasutatakse mehaaniliste, termiliste ja veekindlusomaduste parandamiseks. Muud nanoosakeste liigid annavad paremad optilised omadused, dielektrilised omadused, kuumuskindluse või mehaanilised omadused, näiteks jäikuse, tugevuse ning korrosiooni- ja kahjustuskindluse.
Näiteid ultraheliga koostatud nanokomposiitidest:
- süsiniknanotorud (CNT) vinüülestermaatriksis
- CNT-d / süsiniksibulad / nanoteemandid nikkelmetallmaatriksis
- CNT-d magneesiumisulami maatriksis
- CNT-d polüvinüülalkoholi (PVA) maatriksis
- mitmeseinaline süsiniknanotoru (MWCNT) epoksüvaigu maatriksis (kõvendina kasutatakse metüültetrahüdroftaalanhüdriidi (MTHPA))
- grafeenoksiid polü(vinüülalkoholi) (PVA) maatriksis
- SiC nanoosakesed magneesiumimaatriksis
- nanoränidioksiid (Aerosil) polüstüreenmaatriksis
- magnetiline raudoksiid painduvas polüuretaani (PU) maatriksis
- nikkeloksiid grafiidi/polü(vinüülkloriidi) sees
- titaania nanoosakesed polü(piim-ko-glükoolhappe) (PLGA) maatriksis
- nanohüdroksüapatiit polü(piim-ko-glükoolhappe) (PLGA) maatriksis
Ultraheli dispergeerimine
Ultraheliprotsessi parameetreid saab täpselt reguleerida ning optimaalselt kohandada materjali koostisele ja soovitud väljundi kvaliteedile. Ultraheli dispergeerimine on soovitatav meetod nanoosakeste, näiteks CNT-de või grafeeni, viimiseks nanokomposiitidesse. Teaduslikul tasandil pikka aega testitud ja paljudes tööstuslikes tootmisseadmetes rakendatud nanokomposiitide ultraheli dispergeerimine ja koostamine on väljakujunenud meetod. Hielscheri pikaajaline kogemus nanomaterjalide ultraheliga töötlemisel tagab põhjaliku nõustamise, sobiva ultraheliseadistuse soovitamise ning abi protsessi arendamisel ja optimeerimisel.
Suurema osa ajast dispergeeritakse tugevdavad nanoosakesed töötlemise käigus maatriksisse. Lisatava nanomaterjali massiprotsent (massiosa) jääb madalasse vahemikku, nt 0,5% kuni 5%, kuna ultraheli töötlusega (sonikeerimisega) saavutatav ühtlane dispersioon võimaldab tugevdavaid täiteaineid kokku hoida ja annab parema tugevdusefekti.
Ultraheli tüüpiline rakendus tootmises on nanoosakesi sisaldava vaikkomposiidi koostamine. CNT-ga tugevdatud vinüülestri valmistamiseks kasutatakse ultraheli töötlust (sonikeerimist) CNT-de dispergeerimiseks ja funktsionaliseerimiseks. Neid CNT-vinüülestreid iseloomustavad paremad elektrilised ja mehaanilised omadused.
Klõpsake siia, et lugeda lähemalt CNT-de dispergeerimise kohta!
Grafeen
Grafeenil on erakordsed füüsikalised omadused, suur kuvasuhe ja väike tihedus. Grafeen ja grafeenoksiid integreeritakse komposiitmaatriksisse, et saada kerged ja suure tugevusega polümeerid. Mehaanilise tugevdamise saavutamiseks peavad grafeenlehed / -plaadikesed olema väga peeneks dispergeeritud, sest aglomeerunud grafeenlehed piiravad tugevdavat toimet drastiliselt.
Teadusuuringud on näidanud, et paranemise ulatus sõltub peamiselt grafeenlehtede dispersiooniastmest maatriksis. Soovitud efekte annab ainult homogeenselt dispergeeritud grafeen. Tugeva hüdrofoobsuse ja van der Waalsi tõmbejõu tõttu kaldub grafeen agregeeruma ja aglomeeruma nõrgalt vastastikku toimivate monokihiliste lehtede helvesteks.
Kuigi tavapärased dispergeerimismeetodid ei suuda sageli anda homogeenseid ja kahjustamata grafeeni dispersioone, annavad suure võimsusega ultraheli sonikaatorid kvaliteetseid grafeeni dispersioone. Hielscheri sonikaatorid töötlevad probleemideta puhast grafeeni, grafeenoksiidi ja redutseeritud grafeenoksiidi madalatest kõrgete kontsentratsioonideni ning väikestest suurte mahtudeni. Sageli kasutatav lahusti on N-metüül-2-pürrolidoon (NMP), kuid suure võimsusega ultraheli abil saab grafeeni dispergeerida isegi halbades, madala keemispunktiga lahustites, näiteks atsetoonis, kloroformis, IPA-s ja tsükloheksanoonis.
Klõpsake siin, et lugeda lähemalt grafeeni massilise koorimise (eksfoliatsiooni) kohta!
Süsiniknanotorud ja muud nanomaterjalid
Võimsusultraheli annab tõendatult peenete osakeste dispersioone mitmesugustest nanomaterjalidest, sealhulgas süsiniknanotorudest (CNT), SWNT-dest, MWNT-dest, fullereenidest, ränidioksiidist (SiO2), titaandioksiidist (TiO2), hõbedast (Ag), tsinkoksiidist (ZnO), nanofibrilleeritud tselluloosist ja paljudest teistest. Üldiselt ületab ultraheli töötlus (sonikeerimine) tavapäraseid dispergaatoreid ja võib anda ainulaadseid tulemusi.
Lisaks nanoosakeste jahvatamisele ja dispergeerimisele saavutatakse suurepäraseid tulemusi ka nanoosakeste sünteesimisel ultraheli sadestamise teel (alt-üles süntees). On täheldatud, et osakeste suurus, nt ultraheli abil sünteesitud magnetiidil, naatriumtsinkmolübdaadil ja muudel, on väiksem kui tavapärase meetodiga saadud osakestel. Väiksemat suurust seostatakse suurenenud tuumastumiskiiruse ja paremate segunemismustritega, mis tulenevad ultraheli kavitatsiooni tekitatud nihkejõududest ja turbulentsist.
Klõpsake siin, et lugeda lähemalt ultraheli alt-üles sadestamise kohta!
Osakeste ultraheli funktsionaliseerimine
Osakese eripindala suureneb suuruse vähenedes. Eriti nanotehnoloogias suureneb materjali omaduste avaldumine oluliselt osakese suurenenud pindala tõttu. Pindala saab ultraheli abil suurendada ja muuta, kinnitades osakese pinnale sobivaid funktsionaalseid molekule. Nanomaterjalide rakendamisel ja kasutamisel on pinnaomadused sama olulised kui osakese tuuma omadused.
Ultraheli abil funktsionaliseeritud osakesi kasutatakse laialdaselt polümeerides, komposiitides ja biokomposiitides, nanovedelikes, koostatud seadmetes, nanoravimites jne. Osakeste funktsionaliseerimisega paranevad drastiliselt sellised omadused nagu stabiilsus, tugevus ja jäikus, lahustuvus, polüdispersiivsus, fluorestsents, magnetism, superparamagnetism, optiline neeldumine, suur elektrontihedus, fotoluminestsents jne.
Tavalised osakesed, mida Hielscheri ultraheli süsteemidega kaubanduslikult funktsionaliseeritakse, on CNT-d, SWNT-d, MWNT-d, grafeen, grafiit, ränidioksiid (SiO2), nanogemmid, magnetiit (raudoksiid, Fe3O4), hõbeda nanoosakesed, kulla nanoosakesed, poorsed ja mesopoorsed nanoosakesed jne.
Klõpsake siin, et näha valitud rakendusjuhiseid ultraheli osakeste töötluse kohta!
Ultraheli dispergaatorid
Hielscheri ultraheli dispergeerimisseadmed on saadaval laboratoorseks, lauaseadme- ja tööstuslikuks tootmiseks. Hielscheri sonikaatorid on töökindlad, vastupidavad ning lihtsasti kasutatavad ja puhastatavad. Seadmed on projekteeritud 24/7 töötamiseks rasketes tingimustes. Ultraheli süsteeme saab kasutada partii- ja inline-töötluseks – need on paindlikud ning kohandatavad vastavalt teie protsessile ja nõuetele.
Ultraheli partii- ja inline-mahutavused
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 5 kuni 200 mL | 50 kuni 500 mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 kuni 2 L | 0,25 kuni 2 m3/h | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 kuni 10 L | 1 kuni 8 m3/h | UIP4000 |
| n.a. | 4 kuni 30 m3/h | UIP16000 |
| n.a. | üle 30 m3/h | klaster seadmetest UIP10000 või UIP16000 |
Ultraheli laboriseade osakeste funktsionaliseerimiseks
Kirjandus ja viited
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Ultraheliga valmistatud naatriumtsinkmolübdaadi nanopigmendi korrosiooni pärssiva toime uurimine kahekomponentses epoksü-polüamiidkattes. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Uudsete magnetiliste polüuretaanvahust nanokomposiitide valmistamine südamik-kest-tüüpi nanoosakeste abil. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Grafeenoksiidi-polüstüreeni komposiitmaterjali valmistamine. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.
Teada väärt fakte
Komposiitmaterjalidest
Komposiitmaterjalid (tuntud ka kui kompositsioonmaterjal) on materjalid, mis koosnevad kahest või enamast koostisosast, millel on oluliselt erinevad füüsikalised või keemilised omadused. Kui need koostismaterjalid ühendatakse, saadakse uus materjal – nn komposiit –, millel on üksikutest komponentidest erinevad omadused. Üksikud komponendid jäävad valmis struktuuris eraldiseisvaks ja eristatavaks.
Uuel materjalil on paremad omadused, nt on see tugevam, kergem, vastupidavam või tavapäraste materjalidega võrreldes odavam. Nanokomposiitide täiustused hõlmavad mehaanilisi, elektrilisi / juhtivusomadusi, termilisi, optilisi, elektrokeemilisi kuni katalüütilisi omadusi.
Tüüpilised insenerlikult loodud komposiitmaterjalid on järgmised:
- biokomposiidid
- armeeritud plastid, näiteks kiududega armeeritud polümeer
- metallkomposiidid
- keraamilised komposiidid (keraamilise maatriksiga ja metallmaatriksiga komposiit)
Komposiitmaterjale kasutatakse üldiselt ehitus- ja konstruktsioonimaterjalidena, näiteks paadikerede, tööpindade, autokerede, vannide, mahutite, imitatsioongraniidist ja kunstmarmorist valamute ning ka kosmose- ja õhusõidukites.
Komposiitides võib kasutada ka metallkiude teiste metallide armeerimiseks, nagu metallmaatriksiga komposiitides (MMC) või keraamilise maatriksiga komposiitides (CMC), mille hulka kuuluvad luu (kollageenkiududega armeeritud hüdroksüapatiit), kermis (keraamika ja metall) ja betoon.
Orgaanilise maatriksiga/keraamilise täiteainega komposiitide hulka kuuluvad asfaltbetoon, polümeerbetoon, mastiksasfalt, mastic roller hybrid, hambakomposiit, süntaktiline vaht ja pärlmutter.
Ultraheli mõjust osakestele
Osakeste omadused ilmnevad, kui osakeste suurus väheneb teatud tasemeni (tuntud kui kriitiline suurus). Kui osakeste mõõtmed jõuavad nanomeetri tasemele, paranevad faasidevahelised vastasmõjud oluliselt, mis on materjali omaduste parandamisel määrava tähtsusega. Seejuures on nanokomposiitides armeerimiseks kasutatavate materjalide pindala ja ruumala suhe kõige olulisem. Nanokomposiidid pakuvad tehnoloogilisi ja majanduslikke eeliseid peaaegu kõigis tööstusharudes, sealhulgas lennunduses ja kosmosetööstuses, autotööstuses, elektroonikas, biotehnoloogias, farmaatsias ja meditsiinis. Teine suur eelis on nende keskkonnasõbralikkus.
Võimas ultraheli parandab maatriksi ja osakeste vahelist märgumist ja homogeniseerimist intensiivse segamise ja dispergeerimise kaudu – see tekib ultraheli kavitatsioonil. Kuna ultraheli töötlus (sonikeerimine) on nanomaterjalide puhul enim kasutatav ja edukaim dispergeerimismeetod, on Hielscheri ultraheliseadmed paigaldatud laboritesse, pilootseadmetesse ja tootmisse üle kogu maailma.