تولید هیدروژل با مزایای فراصوت‌دهی
فراصوت‌دهی روشی بسیار مؤثر، قابل‌اعتماد و ساده برای تهیهٔ هیدروژل‌های با عملکرد بالا است. این هیدروژل‌ها خواص مادی ممتازی مانند ظرفیت جذب، ویسکوالاستیسیته، استحکام مکانیکی، مدول فشاری و قابلیت‌های خودترمیمی دارند.
پلیمریزاسیون و پراکنده‌سازی فراصوتی برای تولید هیدروژل
هیدروژل‌ها شبکه‌های پلیمری سه‌بعدی و آب‌دوستی هستند که می‌توانند مقادیر زیادی آب یا سیال جذب کنند. هیدروژل‌ها ظرفیت تورم فوق‌العاده‌ای دارند. اجزای سازندهٔ متداول هیدروژل‌ها شامل پلی‌وینیل الکل، پلی‌اتیلن گلیکول، سدیم پلی‌آکریلات، پلیمرهای آکریلاتی، کربومرها، پلی‌ساکاریدها یا پلی‌پپتیدهای دارای تعداد زیادی گروه آب‌دوست و پروتئین‌های طبیعی مانند کلاژن، ژلاتین و فیبرین است.
هیدروژل‌های موسوم به هیبریدی از مواد مختلفی تشکیل می‌شوند که از نظر شیمیایی، عملکردی و ریخت‌شناختی متمایزند؛ مانند پروتئین‌ها، پپتیدها یا نانوساختارها و ریزساختارها.
پراکنده‌سازی فراصوتی به‌طور گسترده به‌عنوان روشی بسیار کارآمد و قابل‌اعتماد برای توزیع همگن نانوموادی مانند نانولوله‌های کربنی (CNTs, MWCNTs, SWCNTs)، نانوبلورهای سلولز، نانوالیاف کیتین، دی‌اکسید تیتانیوم، نانوذرات نقره، پروتئین‌ها و دیگر ساختارهای میکرونی یا نانومتری در ماتریس پلیمری هیدروژل‌ها به کار می‌رود. به همین دلیل، فراصوت‌دهی ابزاری اصلی برای تولید هیدروژل‌های با عملکرد بالا و ویژگی‌های فوق‌العاده است.
سونیکاتور UIP1000hdT همراه با راکتور شیشه‌ای برای سنتز هیدروژل
یافته‌های پژوهشی – تهیهٔ هیدروژل به روش فراصوتی
نخست، فراصوت‌دهی واکنش‌های پلیمریزاسیون و اتصال عرضی را هنگام تشکیل هیدروژل تقویت می‌کند.
دوم، اثبات شده است که فراصوت‌دهی روشی قابل‌اعتماد و مؤثر برای پراکنده‌سازی در تولید هیدروژل‌ها و هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی است.
اتصال عرضی و پلیمریزاسیون فراصوتی هیدروژل‌ها
فراصوت‌دهی با تولید رادیکال‌های آزاد به تشکیل شبکه‌های پلیمری هنگام سنتز هیدروژل کمک می‌کند. امواج فراصوت شدید، کاویتاسیون آکوستیکی ایجاد می‌کنند که موجب نیروهای برشی زیاد، برش مولکولی و تشکیل رادیکال‌های آزاد می‌شود.
Cass et al. (2010) چندین هیدروژل آکریلیکی تهیه کردند: «هیدروژل‌های آکریلیکی از طریق پلیمریزاسیون فراصوتی مونومرها و ماکرومونومرهای محلول در آب تهیه شدند. از فراصوت برای ایجاد رادیکال‌های آغازگر در محلول‌های آبی ویسکوز مونومر، با استفاده از افزودنی‌های گلیسرول، سوربیتول یا گلوکز، در یک سامانهٔ باز در دمای 37°C استفاده شد. افزودنی‌های محلول در آب برای تولید هیدروژل ضروری بودند و گلیسرول بیشترین اثربخشی را داشت. هیدروژل‌ها از مونومرهای 2-هیدروکسی‌اتیل متاکریلات، پلی(اتیلن گلیکول) دی‌متاکریلات، دکستران متاکریلات، اسید آکریلیک/اتیلن گلیکول دی‌متاکریلات و آکریل‌آمید/بیس‌آکریل‌آمید تهیه شدند.» [Cass et al. 2010] مشخص شد که اعمال فراصوت با استفاده از سونیکاتور پروبی، روشی مؤثر برای پلیمریزاسیون مونومرهای وینیلی محلول در آب و تهیهٔ هیدروژل‌ها در مرحلهٔ بعد است. پلیمریزاسیونی که با فراصوت آغاز می‌شود، در غیاب آغازگر شیمیایی به‌سرعت رخ می‌دهد.
پروتکل کامل این مطالعه را اینجا ببینید!
- نانوذرات، برای مثال TiO2
- نانولوله‌های کربنی (CNTs)
- نانوبلورهای سلولز (CNCs)
- نانوفیبریل‌های سلولز
- صمغ‌ها، برای مثال زانتان و صمغ دانهٔ مریم‌گلی
- پروتئین‌ها
دربارهٔ سنتز فراصوتی هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی و نانوژل‌ها بیشتر بخوانید!
تشکیل هیدروژل از طریق ژل‌شدن به کمک فراصوت با استفاده از سونیکاتور UP100H (مطالعه و فیلم: Rutgeerts et al., 2019)
تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از هیدروژل پلی(آکریل‌آمید-کو-اسید ایتاکونیک حاوی MWCNTs. نانولوله‌های MWCNTs با استفاده از سونیکاتور زیر به روش فراصوتی پراکنده شدند: UP200S.
مطالعه و تصویر: Mohammadinezhada et al., 2018
ساخت هیدروژل پلی(آکریل‌آمید-کو-اسید ایتاکونیک) – MWCNT با استفاده از فراصوت‌دهی
Mohammadinezhada et al. (2018) با موفقیت یک کامپوزیت هیدروژلی فوق‌جاذب حاوی پلی(آکریل‌آمید-کو-اسید ایتاکونیک) و نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWCNTs) تولید کردند. فراصوت‌دهی با دستگاه فراصوتی Hielscher انجام شد: UP200S. پایداری هیدروژل با افزایش نسبت MWCNTs افزایش یافت؛ این امر ممکن است به ماهیت آب‌گریز MWCNTs و نیز افزایش چگالی عامل اتصال عرضی مربوط باشد. ظرفیت نگهداری آب (WRC) هیدروژل P(AAm-co-IA) نیز در حضور MWCNT با مقدار (10 wt%) افزایش یافت. در این مطالعه، اثرات فراصوت‌دهی از نظر توزیع یکنواخت نانولوله‌های کربنی روی سطح پلیمر برتر ارزیابی شد. نانولوله‌های MWCNTs سالم باقی ماندند و هیچ گسیختگی در ساختار پلیمری ایجاد نشد. افزون بر این، استحکام نانوکامپوزیت حاصل، ظرفیت نگهداری آب آن و جذب مواد محلول دیگر مانند Pb (II) افزایش یافت. فراصوت‌دهی، آغازگر را شکست و هم‌زمان با افزایش دما، MWCNTs را به‌عنوان پرکننده‌ای عالی در زنجیره‌های پلیمری پراکنده کرد.
پژوهشگران نتیجه می‌گیرند که این «شرایط واکنش با روش‌های متداول قابل دستیابی نیست و نمی‌توان به همگنی و پراکندگی مناسب ذرات در مادهٔ میزبان دست یافت. علاوه بر این، فرایند فراصوت‌دهی، نانوذرات را به ذرات منفرد جدا می‌کند، درحالی‌که هم‌زدن قادر به انجام این کار نیست. سازوکار دیگر کاهش اندازه، اثر امواج آکوستیکی پرقدرت بر پیوندهای ثانویه مانند پیوند هیدروژنی است؛ این تابش، پیوندهای هیدروژنی ذرات را می‌شکند و در پی آن، ذرات تجمع‌یافته را از هم جدا می‌کند و تعداد گروه‌های آزاد جاذب سطحی مانند -OH و دسترسی به آن‌ها را افزایش می‌دهد. بنابراین، این رخداد مهم، فرایند فراصوت‌دهی را نسبت به روش‌های دیگر، مانند هم‌زدن مغناطیسی که در منابع پژوهشی به کار رفته است، به روشی برتر تبدیل می‌کند.» [Mohammadinezhada et al., 2018]
سونیکاتورهای با عملکرد بالا برای سنتز هیدروژل
Hielscher Ultrasonics تجهیزات فراصوتی با عملکرد بالا برای سنتز هیدروژل‌ها تولید می‌کند. از سونیکاتورهای کوچک و متوسط برای تحقیق‌وتوسعه و مقیاس پایلوت گرفته تا سامانه‌های صنعتی برای تولید تجاری هیدروژل به‌صورت پیوسته، Hielscher Ultrasonics نیازهای فرایندی شما را پوشش می‌دهد.
سونیکاتورهای ردهٔ صنعتی می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی ایجاد کنند که واکنش‌های قابل‌اعتماد اتصال عرضی و پلیمریزاسیون و پراکندگی یکنواخت نانوذرات را امکان‌پذیر می‌سازند. کارکرد پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm در حالت 24/7/365 به‌آسانی امکان‌پذیر است. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند.
- بازده بالا
- فناوری روز
- قابلیت اطمینان و استحکام
- ناپیوسته و درون‌خطی
- برای هر حجمی
- نرم‌افزار هوشمند
- قابلیت‌های هوشمند (مانند ثبت داده‌ها)
- CIP (شست‌وشو در محل)
همین امروز برای دریافت اطلاعات فنی بیشتر، قیمت‌ها و پیشنهاد قیمت بدون تعهد با ما تماس بگیرید. کارکنان باسابقهٔ ما با کمال میل به شما مشاوره می‌دهند!
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
دانستنی‌های مفید
هیدروژل‌ها چه کاربردهایی دارند؟
هیدروژل‌ها در صنایع متعددی به کار می‌روند؛ از جمله در داروسازی برای دارورسانی (مانند دارورسانی با رهایش زمان‌بندی‌شده، خوراکی، وریدی، موضعی یا مقعدی)، پزشکی (مانند داربست‌های مهندسی بافت، ایمپلنت‌های سینه، مواد بیومکانیکی و پانسمان زخم)، محصولات آرایشی، محصولات مراقبتی (مانند لنزهای تماسی، پوشک و نوار بهداشتی)، کشاورزی (مانند فرمولاسیون آفت‌کش‌ها و گرانول‌های نگهدارندهٔ رطوبت خاک در مناطق خشک)، پژوهش مواد به‌عنوان پلیمرهای عملکردی (مانند مواد منفجرهٔ ژل‌آبی، کپسوله‌سازی نقاط کوانتومی و تولید برق ترمودینامیکی)، آب‌گیری از زغال‌سنگ، برف مصنوعی، افزودنی‌های غذایی و دیگر محصولات (مانند چسب).
طبقه‌بندی هیدروژل‌ها
هیدروژل‌ها را بر اساس ساختار فیزیکی آن‌ها می‌توان به‌صورت زیر طبقه‌بندی کرد:
- آمورف (غیربلوری)
- نیمه‌بلوری: مخلوطی پیچیده از فازهای آمورف و بلوری
- بلوری
با در نظر گرفتن ترکیب پلیمری، هیدروژل‌ها را می‌توان در سه گروه زیر نیز طبقه‌بندی کرد:
- هیدروژل‌های هموپلیمری
- هیدروژل‌های کوپلیمری
- هیدروژل‌های چندپلیمری / هیدروژل‌های IPN
بر اساس نوع اتصال عرضی، هیدروژل‌ها به گروه‌های زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
- شبکه‌های دارای اتصال عرضی شیمیایی: اتصالات دائمی
- شبکه‌های دارای اتصال عرضی فیزیکی: اتصالات گذرا
بر اساس شکل ظاهری، طبقه‌بندی به‌صورت زیر است:
- ماتریس
- فیلم
- ریزکره
طبقه‌بندی بر اساس بار الکتریکی شبکه:
- غیریونی (خنثی)
- یونی (شامل آنیونی یا کاتیونی)
- الکترولیت آمفوتر (آمفولیتی)
- زویتریونی (پلی‌بتائین‌ها)
منابع علمی / مراجع
- Mohammadinezhada, Alireza; Marandi, Gholam Bagheri; Farsadrooh, Majid; Javadian, Hamedreza (2018): Synthesis of poly(acrylamide-co-itaconic acid)/MWCNTs superabsorbent hydrogel nanocomposite by ultrasound-assisted technique: Swelling behavior and Pb (II) adsorption capacity. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 49, 2018. 1-12.
- Cass, Peter; Knower, Warren; Pereeia, Eliana; Holmes, Natalie P.; Hughes Tim (2010): Preparation of hydrogels via ultrasonic polymerization. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 2, February 2010. 326-332.
- Willfahrt, A., Steiner, E., Hoetzel, J., Crispin, X. (2019): Printable acid-modified corn starch as non-toxic, disposable hydrogel-polymer electrolyte in supercapacitors. Applied Physics A, 125(7), 474.
- Butylina, Svetlana; Geng, Shiyu; Laatikainen, Katri; Oksman, Kristiina (2020): Cellulose Nanocomposite Hydrogels: From Formulation to Material Properties. Frontiers in Chemistry, Vol. 8, 655, 2020.
- Rutgeerts, Laurens A. J.; Soultan, Al Halifa; Subramani, Ramesh; Toprakhisar, Burak; Ramon, Herman; Paderes, Monissa C.; De Borggraeve, Wim M.; Patterson, Jennifer (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chemical Communications Issue 51, 2019.
- Oleyaei, Seyed Amir; Razavi, Seyed Mohammad Ali; Mikkonen, Kirsi S. (2018): Physicochemical and rheo-mechanical properties of titanium dioxide reinforced sage seed gum nanohybrid hydrogel. International Journal of Biological Macromolecules Vol. 118, Part A, 2018. 661-670.
فناوری فراصوت با عملکرد بالا! سبد محصولات Hielscher طیف کاملی از سونیکاتورهای آزمایشگاهی جمع‌وجور و دستگاه‌های رومیزی تا سامانه‌های فراصوتی تمام‌صنعتی را پوشش می‌دهد.