فرمولاسیون فراصوتی کامپوزیت‌های تقویت‌شده
- کامپوزیت‌ها خواص منحصربه‌فردی مانند پایداری حرارتی، مدول الاستیک، استحکام کششی و استحکام شکست به‌مراتب بالاتر دارند و ازاین‌رو به‌طور گسترده در ساخت محصولات گوناگون استفاده می‌شوند.
- ثابت شده است که فراصوت‌دهی، نانوکامپوزیت‌هایی با کیفیت بالا و حاوی CNTها، گرافن و دیگر موادی تولید می‌کند که به‌خوبی پراکنده شده‌اند.
- تجهیزات فراصوتی برای فرمولاسیون کامپوزیت‌های تقویت‌شده در مقیاس صنعتی موجود است.
نانوکامپوزیت‌ها
نانوکامپوزیت‌ها به‌واسطهٔ خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی، نوری، الکتروشیمیایی و/یا کاتالیزی خود متمایز هستند.
نانوکامپوزیت‌ها به‌دلیل نسبت سطح به حجم فوق‌العاده بالای فاز تقویت‌کننده و/یا نسبت ابعادی فوق‌العاده بالای خود، عملکردی به‌مراتب بهتر از کامپوزیت‌های متداول دارند. نانوذراتی مانند سیلیکای کروی، ورقه‌های معدنی مانند گرافن لایه‌برداری‌شده یا رس، یا نانوالیافی مانند نانولوله‌های کربنی یا الیاف الکتروریسی‌شده، اغلب برای تقویت استفاده می‌شوند.
برای مثال، نانولوله‌های کربنی برای بهبود رسانایی الکتریکی و حرارتی افزوده می‌شوند و نانوسیلیکا برای بهبود خواص مکانیکی، حرارتی و مقاومت در برابر آب به کار می‌رود. انواع دیگر نانوذرات، خواص نوری، خواص دی‌الکتریک، مقاومت حرارتی یا خواص مکانیکی مانند سفتی، استحکام و مقاومت در برابر خوردگی و آسیب را بهبود می‌بخشند.
نمونه‌هایی از نانوکامپوزیت‌های فرموله‌شده با فراصوت:
- نانولوله‌های کربنی (CNT) در ماتریس وینیل‌استر
- CNTها / کربن‌های پیازی / نانوالماس‌ها در ماتریس فلزی نیکل
- CNTها در ماتریس آلیاژ منیزیم
- CNTها در ماتریس پلی‌وینیل الکل (PVA)
- نانولولهٔ کربنی چنددیواره (MWCNT) در ماتریس رزین اپوکسی (با استفاده از متیل تتراهیدروفتالیک انیدرید (MTHPA) به‌عنوان عامل پخت)
- اکسید گرافن در ماتریس پلی(وینیل الکل) (PVA)
- نانوذرات SiC در ماتریس منیزیم
- نانوسیلیکا (Aerosil) در ماتریس پلی‌استایرن
- اکسید آهن مغناطیسی در ماتریس پلی‌یورتان (PU) انعطاف‌پذیر
- اکسید نیکل در گرافیت/پلی(وینیل کلرید)
- نانوذرات تیتانیا در ماتریس پلی(لاکتیک-کو-گلیکولیک اسید) (PLGA)
- نانوهیدروکسی‌آپاتیت در ماتریس پلی(لاکتیک-کو-گلیکولیک اسید) (PLGA)
پراکنش فراصوتی
پارامترهای فرایند فراصوتی را می‌توان به‌دقت کنترل کرد و به‌صورت بهینه با ترکیب مواد و کیفیت مطلوب محصول خروجی تطبیق داد. پراکنش فراصوتی، روش توصیه‌شده برای وارد کردن نانوذراتی مانند CNTها یا گرافن به نانوکامپوزیت‌ها است. پراکنش و فرمولاسیون فراصوتی نانوکامپوزیت‌ها روشی تثبیت‌شده است که مدت‌ها در سطح علمی آزموده شده و در بسیاری از واحدهای تولید صنعتی به کار گرفته شده است. تجربهٔ طولانی Hielscher در پردازش فراصوتی نانومواد، ارائهٔ مشاورهٔ تخصصی، پیشنهاد مجموعهٔ فراصوتی مناسب و پشتیبانی در طول توسعه و بهینه‌سازی فرایند را تضمین می‌کند.
نانوذرات تقویت‌کننده معمولاً در طول پردازش در ماتریس پراکنده می‌شوند. درصد وزنی (کسر جرمی) نانومادهٔ افزوده‌شده در محدودهٔ پایین، مثلاً 0٫5% تا 5%، قرار دارد؛ زیرا پراکنش یکنواخت حاصل از فراصوت‌دهی، امکان کاهش مصرف پرکننده‌های تقویت‌کننده و دستیابی به عملکرد تقویتی بالاتر را فراهم می‌کند.
یکی از کاربردهای متداول فراصوت در تولید، فرمولاسیون کامپوزیت نانوذره–رزین است. برای تولید وینیل‌استر تقویت‌شده با CNT، از فراصوت‌دهی برای پراکنده‌سازی و عامل‌دارسازی CNTها استفاده می‌شود. این مواد CNT–وینیل‌استر دارای خواص الکتریکی و مکانیکی بهبودیافته هستند.
برای مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ پراکنش CNTها، اینجا کلیک کنید!
گرافن
گرافن خواص فیزیکی استثنایی، نسبت ابعادی بالا و چگالی پایینی دارد. گرافن و اکسید گرافن در ماتریس کامپوزیت وارد می‌شوند تا پلیمرهایی سبک و با استحکام بالا به دست آیند. برای دستیابی به تقویت مکانیکی، ورقه‌ها / پلاکت‌های گرافن باید به‌صورت بسیار ریز پراکنده شوند؛ زیرا ورقه‌های کلوخه‌شدهٔ گرافن، اثر تقویت‌کنندگی را به‌شدت محدود می‌کنند.
پژوهش‌های علمی نشان داده‌اند که میزان بهبود عمدتاً به درجهٔ پراکنش ورقه‌های گرافن در ماتریس بستگی دارد. تنها گرافنی که به‌صورت همگن پراکنده شده باشد، اثرات مطلوب را ایجاد می‌کند. گرافن به‌دلیل آب‌گریزی شدید و جاذبهٔ واندروالس، مستعد تجمع و کلوخه‌شدن به‌شکل پولک‌هایی متشکل از ورقه‌های تک‌لایه با برهم‌کنش ضعیف است.
درحالی‌که روش‌های متداول پراکنش اغلب نمی‌توانند پراکنه‌های همگن گرافن را بدون آسیب‌دیدگی تولید کنند، سونیکاتورهای پرتوان، پراکنه‌های گرافن با کیفیت بالا تولید می‌کنند. سونیکاتورهای Hielscher، گرافن دست‌نخورده، اکسید گرافن و اکسید گرافن کاهش‌یافته را از غلظت‌های کم تا زیاد و از حجم‌های کوچک تا بزرگ، بدون دردسر پردازش می‌کنند. یکی از حلال‌های رایج، N-متیل-2-پیرولیدون (NMP) است؛ اما با فراصوت پرتوان، گرافن را حتی می‌توان در حلال‌های ضعیف با نقطهٔ جوش پایین مانند استون، کلروفرم، IPA و سیکلوهگزانون پراکنده کرد.
برای مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ لایه‌برداری گرافن در مقیاس انبوه، اینجا کلیک کنید!
نانولوله‌های کربنی و دیگر نانومواد
ثابت شده است که فراصوت پرتوان، پراکنه‌هایی با اندازهٔ ذرات ریز از نانومواد گوناگون، ازجمله نانولوله‌های کربنی (CNTs)، SWNTs، MWNTs، فولرن‌ها، سیلیکا (SiO2)، دی‌اکسید تیتانیوم (TiO2)، نقره (Ag)، اکسید روی (ZnO)، سلولز نانوفیبریله‌شده و بسیاری مواد دیگر ایجاد می‌کند. به‌طور کلی، فراصوت‌دهی عملکرد بهتری از پراکنده‌سازهای متداول دارد و می‌تواند به نتایجی منحصربه‌فرد دست یابد.
علاوه بر آسیاب‌کردن و پراکنده‌سازی نانوذرات، سنتز نانوذرات از طریق رسوب‌دهی فراصوتی (سنتز پایین‌به‌بالا) نیز نتایجی عالی به همراه دارد. مشاهده شده است که اندازهٔ ذرات، برای مثال در مگنتیت، مولیبدات سدیم روی و دیگر موادی که با فراصوت سنتز می‌شوند، از اندازهٔ ذرات حاصل از روش متداول کمتر است. این اندازهٔ کوچک‌تر به افزایش نرخ جوانه‌زنی و الگوهای اختلاط بهتر ناشی از برش و تلاطم ایجادشده توسط کاویتاسیون فراصوتی نسبت داده می‌شود.
برای آشنایی بیشتر با رسوب‌دهی فراصوتی پایین‌به‌بالا، اینجا کلیک کنید!
عامل‌دارسازی فراصوتی ذرات
سطح ویژهٔ یک ذره با کاهش اندازهٔ آن افزایش می‌یابد. به‌ویژه در نانوفناوری، افزایش مساحت سطح ذره باعث می‌شود ویژگی‌های ماده به‌طور چشمگیری بیشتر بروز کنند. با فراصوت و اتصال مولکول‌های عاملی مناسب به سطح ذره، می‌توان مساحت سطح را افزایش داد و آن را اصلاح کرد. در کاربرد و استفاده از نانومواد، خواص سطح به‌اندازهٔ خواص هستهٔ ذره اهمیت دارند.
ذرات عامل‌دارشده با فراصوت به‌طور گسترده در پلیمرها، کامپوزیت‌ها و زیست‌کامپوزیت‌ها، نانوسیالات، دستگاه‌های مونتاژشده، نانوداروها و غیره استفاده می‌شوند. عامل‌دارسازی ذرات، ویژگی‌هایی مانند پایداری، استحکام و سفتی، حلالیت، چندپراکندگی، فلورسانس، مغناطیس، ابرپارامغناطیس، جذب نوری، چگالی الکترونی بالا، فوتولومینسانس و غیره را به‌شدت بهبود می‌بخشد.
ذرات رایجی که با سامانه‌های فراصوتی Hielscher در مقیاس تجاری عامل‌دار می‌شوند، شامل CNTs، SWNTs، MWNTs، گرافن، گرافیت، سیلیکا (SiO2)، نانوالماس‌ها، مگنتیت (اکسید آهن، Fe3O4)، نانوذرات نقره، نانوذرات طلا، نانوذرات متخلخل و مزومتخلخل و غیره هستند.
برای مشاهدهٔ یادداشت‌های کاربردی منتخب دربارهٔ تیمار فراصوتی ذرات، اینجا کلیک کنید!
پراکنده‌سازهای فراصوتی
تجهیزات پراکنده‌سازی فراصوتی Hielscher برای کاربردهای آزمایشگاهی، رومیزی و تولید صنعتی عرضه می‌شوند. سونیکاتورهای Hielscher قابل‌اعتماد و مستحکم هستند و کاربری و تمیزکردن آن‌ها آسان است. این تجهیزات برای کارکرد 24/7 در شرایط کاری سنگین طراحی شده‌اند. سامانه‌های فراصوتی را می‌توان برای پردازش ناپیوسته و درون‌خطی به کار برد – این سامانه‌ها انعطاف‌پذیرند و به‌آسانی با فرایند و الزامات شما تطبیق می‌یابند.
ظرفیت‌های فراصوتی برای پردازش ناپیوسته و درون‌خطی
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 5 تا 200mL | 50 تا 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0٫1 تا 2L | 0٫25 تا 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0٫4 تا 10L | 1 تا 8m3/hr | UIP4000 |
| قابل‌اعمال نیست | 4 تا 30m3/hr | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیش از 30m3/hr | مجموعه‌ای از UIP10000 یا UIP16000 |
دستگاه فراصوتی آزمایشگاهی برای عامل‌دارسازی ذرات
منابع و مراجع
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): بررسی عملکرد بازدارندگی خوردگی نانورنگدانهٔ مولیبدات سدیم روی تهیه‌شده به روش فراصوتی در پوشش دوجزئی اپوکسی–پلی‌آمید. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): تهیهٔ نانوکامپوزیت‌های نوین فوم پلی‌یورتان مغناطیسی با استفاده از نانوذرات هسته–پوسته. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): تهیهٔ مادهٔ کامپوزیتی اکسید گرافن–پلی‌استایرن. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.
دانستنی‌های مفید
دربارهٔ مواد کامپوزیتی
مواد کامپوزیتی (که مواد مرکب نیز نامیده می‌شوند) به موادی گفته می‌شود که از دو یا چند جزء با خواص فیزیکی یا شیمیایی به‌طور چشمگیر متفاوت ساخته شده‌اند. با ترکیب این مواد تشکیل‌دهنده، ماده‌ای جدید – موسوم به کامپوزیت – تولید می‌شود که ویژگی‌های آن با ویژگی‌های تک‌تک اجزا متفاوت است. اجزای منفرد در ساختار نهایی، جدا و متمایز باقی می‌مانند.
مادهٔ جدید خواص بهتری دارد؛ برای مثال، در مقایسه با مواد متداول، محکم‌تر، سبک‌تر، مقاوم‌تر یا ارزان‌تر است. بهبودهای نانوکامپوزیت‌ها، خواص مکانیکی، الکتریکی / رسانایی، حرارتی، نوری، الکتروشیمیایی و کاتالیزی را در بر می‌گیرد.
مواد کامپوزیتی مهندسی‌شدهٔ متداول عبارت‌اند از:
- زیست‌کامپوزیت‌ها
- پلاستیک‌های تقویت‌شده، مانند پلیمر تقویت‌شده با الیاف
- کامپوزیت‌های فلزی
- کامپوزیت‌های سرامیکی (کامپوزیت با ماتریس سرامیکی و ماتریس فلزی)
مواد کامپوزیتی عموماً برای ساخت و ایجاد سازه‌هایی مانند بدنهٔ قایق، رویهٔ کابینت، بدنهٔ خودرو، وان حمام، مخازن ذخیره‌سازی، گرانیت مصنوعی و روشویی‌های مرمر مصنوعی و همچنین در فضاپیماها و هواپیماها استفاده می‌شوند.
در کامپوزیت‌ها می‌توان از الیاف فلزی برای تقویت فلزات دیگر نیز استفاده کرد؛ مانند کامپوزیت‌های ماتریس فلزی (MMC) یا کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی (CMC)، که شامل استخوان (هیدروکسی‌آپاتیت تقویت‌شده با الیاف کلاژن)، سرمت (سرامیک و فلز) و بتن می‌شوند.
کامپوزیت‌های ماتریس آلی/سنگ‌دانهٔ سرامیکی شامل بتن آسفالتی، بتن پلیمری، آسفالت ماستیک، mastic roller hybrid، کامپوزیت دندانی، فوم سینتاکتیک و لایهٔ مرواریدی صدف هستند.
دربارهٔ اثرات فراصوت بر ذرات
خواص ذرات هنگامی قابل‌مشاهده می‌شوند که اندازهٔ ذره به حد معینی (موسوم به اندازهٔ بحرانی) کاهش یابد. هنگامی‌که ابعاد ذرات به مقیاس نانومتر می‌رسد، برهم‌کنش‌ها در فصل مشترک فازها به‌طور چشمگیری بهبود می‌یابند؛ موضوعی که برای ارتقای ویژگی‌های مواد حیاتی است. ازاین‌رو، نسبت مساحت سطح به حجم موادی که برای تقویت نانوکامپوزیت‌ها به کار می‌روند، بیشترین اهمیت را دارد. نانوکامپوزیت‌ها تقریباً برای همهٔ بخش‌های صنعت، ازجمله هوافضا، خودروسازی، الکترونیک، زیست‌فناوری، داروسازی و پزشکی، مزایای فناورانه و اقتصادی ارائه می‌کنند. مزیت بزرگ دیگر آن‌ها سازگاری با محیط‌زیست است.
فراصوت پرتوان، ترشوندگی و همگن‌سازی میان ماتریس و ذرات را از طریق اختلاط و پراکنده‌سازی شدید بهبود می‌بخشد؛ این اختلاط و پراکنده‌سازی ناشی از این پدیده است: کاویتاسیون فراصوتی. ازآنجاکه فراصوت‌دهی پرکاربردترین و موفق‌ترین روش پراکنش نانومواد است، سامانه‌های فراصوتی Hielscher در آزمایشگاه‌ها، واحدهای پایلوت و مراکز تولید در سراسر جهان نصب شده‌اند.