Hydrogeelien edullinen valmistus ultraäänikäsittelyllä

Ultraäänikäsittely on erittäin tehokas, luotettava ja yksinkertainen menetelmä suorituskykyisten hydrogeelien valmistukseen. Näillä hydrogeeleillä on erinomaisia materiaaliominaisuuksia, kuten absorptiokyky, viskoelastisuus, mekaaninen lujuus, puristusmoduuli ja itsekorjautuvuus.

Ultraäänipolymerointi ja -dispergointi hydrogeelien valmistuksessa

Hydrogeelit ovat hydrofiilisiä, kolmiulotteisia polymeeriverkostoja, jotka pystyvät absorboimaan suuria määriä vettä tai nesteitä. Hydrogeeleillä on poikkeuksellinen turpoamiskyky. Hydrogeelien tavallisia rakenneosia ovat polyvinyylialkoholi, polyetyleeniglykoli, natriumpolyakrylaatti, akrylaattipolymeerit, karbomeerit, runsaasti hydrofiilisiä ryhmiä sisältävät polysakkaridit tai polypeptidit sekä luonnolliset proteiinit, kuten kollageeni, gelatiini ja fibriini.
Niin kutsutut hybridihydrogeelit koostuvat erilaisista kemiallisesti, toiminnallisesti ja morfologisesti toisistaan poikkeavista materiaaleista, kuten proteiineista, peptideistä tai nano- ja mikrorakenteista.
Ultraäänidispergointia käytetään laajalti erittäin tehokkaana ja luotettavana menetelmänä nanomateriaalien, kuten hiilinanoputkien (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), selluloosananokiteiden, kitiininanokuitujen, titaanidioksidin, hopeananohiukkasten, proteiinien ja muiden mikro- tai nanorakenteiden, homogenointiin hydrogeelien polymeerimatriisiin. Tämä tekee ultraäänikäsittelystä keskeisen työkalun poikkeuksellisia ominaisuuksia tarjoavien, suorituskykyisten hydrogeelien valmistuksessa.

Mitä tutkimukset osoittavat – hydrogeelien valmistus ultraäänellä

Ensinnäkin ultraäänikäsittely edistää polymerointi- ja ristisilloitusreaktioita hydrogeelien muodostumisen aikana.
Toiseksi ultraäänikäsittely on osoittautunut luotettavaksi ja tehokkaaksi dispergointimenetelmäksi hydrogeelien ja nanokomposiittihydrogeelien valmistuksessa.

Hydrogeelien ristisilloitus ja polymerointi ultraäänellä

Ultraäänikäsittely edistää polymeeriverkostojen muodostumista hydrogeelien synteesissä tuottamalla vapaita radikaaleja. Voimakkaat ultraääniaallot synnyttävät akustista kavitaatiota, joka aiheuttaa suuria leikkausvoimia, molekyylien leikkautumista ja vapaiden radikaalien muodostumista.

Cass ym. (2010) valmistivat useita akryylihydrogeelejä: ”Akryylihydrogeelejä valmistettiin vesiliukoisten monomeerien ja makromonomeerien ultraäänipolymeroinnilla. Ultraääntä käytettiin reaktion käynnistävien radikaalien tuottamiseen viskooseissa monomeerien vesiliuoksissa käyttäen lisäaineina glyserolia, sorbitolia tai glukoosia avoimessa järjestelmässä 37°C:n lämpötilassa. Vesiliukoiset lisäaineet olivat välttämättömiä hydrogeelien valmistuksessa, ja glyseroli oli niistä tehokkain. Hydrogeelejä valmistettiin seuraavista monomeereista: 2-hydroksietyylimetakrylaatti, poly(etyleeniglykoli)dimetakrylaatti, dekstraanimetakrylaatti, akryylihappo/etyleeniglykolidimetakrylaatti ja akryyliamidi/bis-akryyliamidi.” [Cass et al. 2010] Anturityyppisellä ultraäänilaitteella toteutettu ultraäänikäsittely todettiin tehokkaaksi menetelmäksi vesiliukoisten vinyylimonomeerien polymerointiin ja sitä seuraavaan hydrogeelien valmistukseen. Ultraäänellä käynnistetty polymerointi tapahtuu nopeasti ilman kemiallista initiaattoria.
Tutkimuksen täydellinen menetelmäkuvaus löytyy täältä!
 

Pyrogeenisen piidioksidin ultraäänidispergointi: Hielscher-ultraäänihomogenisaattori UP400S dispergoi piidioksidijauheen nopeasti ja tehokkaasti yksittäisiksi nanohiukkasiksi.

Lue lisää nanokomposiittihydrogeelien ja nanogeelien ultraäänisynteesistä!

Ultraäänikäsittely soveltuu kaikenlaisille polymeereille ja biopolymeereille ja mahdollistaa hybridihydrogeelien vahvistamisen nanorakenteisilla materiaaleilla, kuten nanohiukkasilla, nanokiteillä tai nanokuiduilla. Hydrogeelien vahvistaminen erilaisilla nanomateriaaleilla mahdollistaa nanokomposiittihydrogeelien fysikaalis-kemiallisten ja reologis-mekaanisten ominaisuuksien muokkaamisen ja hallinnan, sillä mikrorakenteet ovat keskeinen tekijä saavutettavien materiaaliominaisuuksien kannalta.

Poly(akryyliamidi-ko-itakonihappo)–MWCNT-hydrogeelin valmistus ultraäänikäsittelyllä

Mohammadinezhada ym. (2018) valmistivat onnistuneesti superabsorboivan hydrogeelikomposiitin, joka sisälsi poly(acrylamide-co-itaconic acid) -polymeeriä ja moniseinäisiä hiilinanoputkia (MWCNTs). Ultraäänikäsittely tehtiin Hielscher-merkkisellä ultraäänilaitteella UP200S. Hydrogeelin stabiilisuus lisääntyi MWCNT-hiilinanoputkien osuuden kasvaessa, mikä saattaa johtua MWCNT-hiilinanoputkien hydrofobisesta luonteesta sekä ristisilloittajan tiheyden kasvusta. Myös P(AAm-co-IA)-hydrogeelin vedenpidätyskyky (WRC) lisääntyi MWCNT-hiilinanoputkien (10 wt%) läsnä ollessa. Tässä tutkimuksessa ultraäänikäsittelyn vaikutukset arvioitiin paremmiksi hiilinanoputkien tasaisen jakautumisen osalta polymeerin pinnalla. MWCNT-hiilinanoputket pysyivät ehjinä eikä polymeerirakenne vaurioitunut. Lisäksi saadun nanokomposiitin lujuus ja vedenpidätyskyky sekä muiden liukoisten aineiden, kuten Pb (II):n, absorptio lisääntyivät. Ultraäänikäsittely hajotti initiaattorin ja dispergoi MWCNT-hiilinanoputket erinomaiseksi täyteaineeksi polymeeriketjuihin lämpötilan noustessa.
Tutkijat toteavat, että ”näitä reaktio-olosuhteita ei voida saavuttaa tavanomaisilla menetelmillä, eikä hiukkasten homogeenisuutta ja hyvää dispergoitumista isäntämateriaaliin voida saavuttaa. Lisäksi ultraäänikäsittely erottaa nanohiukkaset yksittäisiksi hiukkasiksi, kun taas sekoittaminen ei pysty tähän. Toinen koon pienentymisen mekanismi on voimakkaiden akustisten aaltojen vaikutus sekundäärisiin sidoksiin, kuten vetysidoksiin: tämä säteily rikkoo hiukkasten vetysidoksia ja hajottaa siten aggregoituneet hiukkaset sekä lisää vapaiden adsorboivien ryhmien, kuten -OH-ryhmien, määrää ja saavutettavuutta. Näin ollen tämä merkittävä ilmiö tekee ultraäänikäsittelystä paremman menetelmän kuin muut kirjallisuudessa käytetyt menetelmät, kuten magneettisekoittaminen.” [Mohammadinezhada et al., 2018]

Suorituskykyiset ultraäänilaitteet hydrogeelien synteesiin

Hielscher Ultrasonics valmistaa suorituskykyisiä ultraäänilaitteita hydrogeelien synteesiin. Pienistä ja keskikokoisista tutkimus- ja kehitystyön sekä pilot-mittakaavan ultraäänilaitteista teollisiin järjestelmiin hydrogeelien kaupalliseen valmistukseen jatkuvatoimisessa prosessissa – Hielscher Ultrasonics tarjoaa ratkaisut prosessisi vaatimuksiin.
Teollisuuskäyttöön tarkoitetut ultraäänilaitteet voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja, jotka mahdollistavat luotettavat ristisilloitus- ja polymerointireaktiot sekä nanohiukkasten tasaisen dispergoinnin. Jopa 200µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7/365. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.

Pyydä meiltä jo tänään teknisiä lisätietoja, hintatietoja ja tarjous ilman sitoumuksia. Pitkän kokemuksen omaava henkilöstömme neuvoo sinua mielellään!
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Hielscher SonoStation helpottaa keskisuurten erien ultraäänikäsittelyä läpivirtausreaktorissa. Kompakti SonoStation yhdistää 38 litran sekoitussäiliön ja säädettävän epäkeskoruuvipumpun, joka voi syöttää enintään 3 litraa minuutissa yhteen tai kahteen ultraääniläpivirtausreaktoriin.