Vahvistettujen komposiittien ultraääniformulaatio
- Komposiiteilla on ainutlaatuisia materiaaliominaisuuksia, kuten merkittävästi parannettu lämpöstabiilisuus, elastinen moduuli, vetolujuus, murtumislujuus, ja siksi niitä käytetään laajalti jakotukkien tuotteiden valmistuksessa.
- Sonikoinnin on osoitettu tuottavan korkealaatuisia nanokomposiitteja, joissa on erittäin dispergoituneita CNT: itä, grafeenia jne.
- Ultraäänilaitteet vahvistettujen komposiittien formulointiin ovat saatavilla teollisessa mittakaavassa.
nanokomposiitit
Nanokomposiitit ovat erinomaisia mekaanisilla, sähköisillä, lämpö-, optisilla, sähkökemiallisilla ja / tai katalyyttisillä ominaisuuksillaan.
Vahvistusfaasin poikkeuksellisen korkean pinta-tilavuussuhteen ja/tai poikkeuksellisen korkean kuvasuhteen ansiosta nanokomposiitit ovat huomattavasti suorituskykyisempiä kuin perinteiset komposiitit. Vahvistamiseen käytetään usein nanohiukkasia, kuten pallomaista piidioksidia, mineraalilevyjä, kuten kuorittua grafeenia tai savea, tai nanokuituja, kuten hiilinanoputkia tai sähkökehrättyjä kuituja.
Esimerkiksi hiilinanoputkia lisätään sähkön- ja lämmönjohtavuuden parantamiseksi, nanopiidioksidia käytetään parantamaan mekaanisia, lämpö- ja vedenkestävyysominaisuuksia. Muut nanohiukkaset antavat parempia optisia ominaisuuksia, dielektrisiä ominaisuuksia, lämmönkestävyyttä tai mekaanisia ominaisuuksia, kuten jäykkyyttä, lujuutta ja korroosionkestävyyttä ja vaurioita.
Esimerkkejä ultraäänellä formuloiduista nanokomposiiteista:
- hiilinanoputket (CNT) vinyyliesterimatriisissa
- CNT: t / hiilisipulit / nanotimantit nikkelimetallimatriisissa
- CNT:t magnesiumseosmatriisissa
- CNT:t polyvinyylialkoholimatriisissa (PVA)
- moniseinäinen hiilinanoputki (MWCNT) epoksihartsimatriisissa (käyttäen kovetusaineena metyylitetrahydroftaalihappoanhydridiä (MTHPA)
- grafeenioksidi poly(vinyylialkoholi) (PVA) -matriisissa
- SiC-nanohiukkaset magnesiummatriisissa
- nanopiidioksidi (Aerosil) polystyreenimatriisissa
- magneettinen rautaoksidi joustavassa polyuretaanimatriisissa (PU)
- nikkelioksidi grafiitissa/poly(vinyylikloridissa)
- Titania-nanohiukkaset polymaitohappo-koglykolihappo (PLGA) -matriisissa
- nanohydroksiapatiitti polymaitohappo-koglykolihappomatriisissa (PLGA)
Ultraääni dispersio
Ultraääniprosessiparametreja voidaan hallita tarkasti ja mukauttaa optimaalisesti materiaalin koostumukseen ja haluttuun tulostuslaatuun. Ultraäänidispersio on suositeltava tekniikka nanohiukkasten, kuten CNT: n tai grafeenin, sisällyttämiseksi nanokomposiitteihin. Pitkään testattu tieteellisellä tasolla ja toteutettu monissa teollisissa tuotantolaitoksissa, nanokomposiittien ultraäänidispersio ja formulointi on vakiintunut menetelmä. Hielscherin pitkä kokemus nanomateriaalien ultraäänikäsittelystä takaa syvällisen konsultoinnin, suosituksen sopivasta ultraääniasennuksesta ja avusta prosessin kehittämisen ja optimoinnin aikana.
Useimmiten vahvistavat nanohiukkaset dispergoidaan matriisiin käsittelyn aikana. Lisätyn nanomateriaalialueen painoprosentti (massaosuus) alemmassa asteikossa, esimerkiksi 0,5% - 5%, koska sonikaatiolla saavutettu tasainen dispersio mahdollistaa vahvistavien täyteaineiden säästämisen ja korkeamman vahvistussuorituskyvyn.
Tyypillinen ultraäänilaitteiden käyttö valmistuksessa on nanohiukkashartsikomposiitin formulaatio. CNT-vahvistetun vinyyliesterin tuottamiseksi sonikaatiota käytetään CNT: iden hajottamiseen ja funktionalisointiin. Näille CNT-vinyyliestereille on tunnusomaista parannetut sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet.
Klikkaa tästä lukeaksesi lisää CNT:iden leviämisestä!
grafeeni
Grafeeni tarjoaa poikkeuksellisia fysikaalisia ominaisuuksia, korkean kuvasuhteen ja pienen tiheyden. Grafeeni ja grafeenioksidi integroidaan komposiittimatriisiin kevyiden, lujien polymeerien saamiseksi. Mekaanisen vahvistuksen saavuttamiseksi grafeenilevyjen / verihiutaleiden on oltava hyvin hienojakoisia, sillä agglomeroidut grafeenilevyt rajoittavat vahvistusvaikutusta voimakkaasti.
Tieteelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että parannuksen suuruus riippuu enimmäkseen matriisin grafeenilevyjen dispersioasteesta. Vain homogeenisesti dispergoitu grafeeni antaa halutut vaikutukset. Vahvan hydrofobisuuden ja van der Waalsin vetovoiman vuoksi grafeeni on altis aggregoitumaan ja agglomeroitumaan heikosti vuorovaikutuksessa olevien yksikerroksisten levyjen hiutaleiksi.
Vaikka yleiset dispersiotekniikat eivät usein pysty tuottamaan homogeenisia, vahingoittumattomia grafeenidispersioita, suuritehoiset ultraäänilaitteet tuottavat korkealaatuisia grafeenidispersioita. Hielscherin ultraäänilaitteet käsittelevät koskematonta grafeenia, grafeenioksidia ja alennettua grafeenioksidia matalasta korkeaan pitoisuuteen ja pienistä suuriin määriin vaivattomasti. Yleisesti käytetty liuotin on N-metyyli-2-pyrrolidoni (NMP), mutta suuritehoisella ultraäänellä grafeeni voidaan jopa dispergoida huonoihin, matalan kiehumispisteen liuottimiin, kuten asetoniin, kloroformiin, IPA: han ja sykloheksanoniin.
Klikkaa tästä lukeaksesi lisää grafeenin bulkkikuorinnasta!
Hiilinanoputket ja muut nanomateriaalit
Tehon ultrasonics on osoittautunut johtavan erilaisten nanomateriaalien hienojakoisiin dispersioihin, mukaan lukien hiilinanoputket (CNT), SWNT: t, MWNT: t, fullereenit, piidioksidi (SiO2), titaanidioksidi (TiO2), hopea (Ag), sinkkioksidi (ZnO), nanofibrilloitu selluloosa ja monet muut. Yleensä sonikaatio ylittää tavanomaiset dispergointilaitteet ja voi saavuttaa ainutlaatuisia tuloksia.
Nanohiukkasten jauhamisen ja dispergoinnin lisäksi erinomaiset tulokset saavutetaan syntetisoimalla nanohiukkasia ultraäänisaostumisen avulla (alhaalta ylöspäin suuntautuva synteesi). On havaittu, että esimerkiksi ultraäänellä syntetisoidun magnetiitin, natriumsinkkimolybdaatin ja muiden hiukkaskoko on pienempi verrattuna tavanomaisella menetelmällä saatuun. Pienempi koko johtuu parantuneesta nukleaationopeudesta ja paremmista sekoituskuvioista, jotka johtuvat ultraäänikavitaation aiheuttamasta leikkauksesta ja turbulenssista.
Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja ultraääni alhaalta ylös sademäärä!
Ultraäänihiukkasten funktionalisointi
Hiukkasen ominaispinta-ala kasvaa koon pienentyessä. Erityisesti nanoteknologiassa materiaalin ominaisuuksien ilmentymistä lisää merkittävästi hiukkasen suurempi pinta-ala. Pinta-alaa voidaan ultraäänellä lisätä ja muokata kiinnittämällä sopivia funktionaalisia molekyylejä hiukkasten pinnalle. Nanomateriaalien soveltamisessa ja käytössä pinnan ominaisuudet ovat yhtä tärkeitä kuin hiukkasten ytimen ominaisuudet.
Ultraäänellä funktionalisoituja hiukkasia käytetään laajalti polymeereissä, komposiiteissa & biokomposiitit, nanofluidit, kootut laitteet, nanolääkkeet jne. Hiukkasfunktionalisoinnin avulla ominaisuudet, kuten stabiilisuus, lujuus & Jäykkyys, liukoisuus, polydispersiteetti, fluoresenssi, magnetismi, superparamagnetismi, optinen absorptio, korkea elektronitiheys, fotoluminenssi jne. paranevat huomattavasti.
Yleiset hiukkaset, jotka on kaupallisesti funktionalisoitu Hielscherin kanssa’ ultraäänijärjestelmät sisältävät CNT: t, SWNT: t, MWNT: t, grafeeni, grafiitti, piidioksidi (SiO2), nanotimantit, magnetiitti (rautaoksidi, Fe3O4), hopean nanohiukkaset, kullan nanohiukkaset, huokoiset & mesohuokoiset nanohiukkaset jne.
Klikkaa tästä nähdäksesi valitut sovellusmerkinnät ultraäänihiukkasten käsittelyyn!
ultraääni dispergointilaitteet
Hielscherin ultraäänidispergointilaitteet ovat saatavilla laboratorio-, penkki- ja teollisuustuotantoon. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat luotettavia, kestäviä, helppokäyttöisiä ja puhdistettavia. Laite on suunniteltu 24/7 käyttöön raskaissa olosuhteissa. Ultraäänijärjestelmiä voidaan käyttää erä- ja inline-käsittelyyn – Joustava ja helposti mukautettavissa prosessiisi ja vaatimuksiisi.
Ultraäänierä ja inline-kapasiteetit
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 5 - 200 ml | 50–500 ml/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1–2L | 0.25 - 2m3/Hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 - 10L | 1-8m3/Hr | UIP4000 |
| n.a. | 4-30m3/Hr | UIP16000 |
| n.a. | yli 30m3/Hr | klusteri UIP10000 tai UIP16000 |
Ultraäänilaboratoriolaite hiukkasten funktionalisointiin
Kirjallisuus/viitteet
- Kapole, SA:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Ultraäänellä valmistetun natriumsinkkimolybdaattinanopigmentin korroosionestokyvyn tutkiminen kaksipakkausepoksipolyamidipinnoitteessa. Komposiittiliitännät 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, ST; Noruzian, M.(2016): Uusien magneettisten polyuretaanivaahtonanokomposiittien valmistus käyttämällä ydinkuoren nanohiukkasia. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Grafeenioksidi-polystyreenin komposiittimateriaalin valmistus. 3. kansainvälinen ympäristö-, kemian- ja biologiakonferenssi. IPCBEE vol.78, 2014.
Faktoja, jotka kannattaa tietää
Tietoja komposiittimateriaaleista
Komposiittimateriaaleja (tunnetaan myös nimellä koostumusmateriaali) kuvataan materiaaliksi, joka on valmistettu kahdesta tai useammasta ainesosasta, joille on ominaista merkittävästi erilaiset fysikaaliset tai kemialliset ominaisuudet. Kun nämä perusmateriaalit yhdistetään, uusi materiaali – ns. – tuotetaan, mikä osoittaa erilaisia ominaisuuksia kuin yksittäiset komponentit. Yksittäiset komponentit pysyvät erillisinä ja erillisinä valmiissa rakenteessa.
Uudella materiaalilla on paremmat ominaisuudet, esimerkiksi se on vahvempi, kevyempi, kestävämpi tai edullisempi kuin perinteiset materiaalit. Nanokomposiittien parannukset vaihtelevat mekaanisista, sähköisistä / johtavista, lämpö-, optisista, sähkökemiallisista katalyyttisiin ominaisuuksiin.
Tyypillisiä komposiittimateriaaleja ovat:
- biokomposiitit
- vahvistetut muovit, kuten kuituvahvisteiset polymeerit
- metallikomposiitit
- keraamiset komposiitit (keraaminen matriisi ja metallimatriisikomposiitti)
Komposiittimateriaaleja käytetään yleensä rakennus- ja rakennemateriaaleihin, kuten veneiden runkoihin, työtasoihin, autojen koreihin, kylpyammeisiin, varastosäiliöihin, graniittijäljitelmiin ja viljeltyihin marmorialtaisiin sekä avaruusaluksiin ja lentokoneisiin.
Komposiiteissa voidaan käyttää myös muita metalleja vahvistavia metallikuituja, kuten metallimatriisikomposiiteissa (MMC) tai keraamisissa matriisikomposiiteissa (CMC), joihin kuuluvat luu (kollageenikuiduilla vahvistettu hydroksiapatiitti), kermetti (keraaminen ja metalli) ja betoni.
Orgaanisia matriisi/keraamisia kiviaineskomposiitteja ovat asfalttibetoni, polymeeribetoni, mastiksiasfaltti, mastiksirullahybridi, hammaskomposiitti, synteettinen vaahto ja helmiäinen.
Tietoja ultraäänivaikutuksista hiukkasiin
Hiukkasten ominaisuuksia voidaan havaita, kun hiukkaskoko pienenee tietylle tasolle (tunnetaan kriittisenä kokona). Kun hiukkasmitat saavuttavat nanometritason, vuorovaikutukset vaiherajapinnoilla paranevat huomattavasti, mikä on ratkaisevan tärkeää materiaalien ominaisuuksien parantamiseksi. Siten nanokomposiittien vahvistamiseen käytettävien materiaalien pinta-ala : tilavuussuhde on merkittävin. Nanokomposiitit tarjoavat teknologisia ja taloudellisia etuja lähes kaikilla teollisuudenaloilla, kuten ilmailu-, auto-, elektroniikka-, bioteknologia-, lääke- ja lääketeollisuudessa. Toinen suuri etu on niiden ympäristöystävällisyys.
Teho-ultraääni parantaa matriisin ja hiukkasten välistä kostuvuutta ja homogenointia sen voimakkaalla sekoittamisella ja dispergointilla – Luonut ultraääni kavitaatio. Koska sonikaatio on yleisimmin käytetty ja menestynein dispersiomenetelmä nanomateriaalien osalta, Hielscherin ultraäänijärjestelmät asennetaan laboratorioon, pilottilaitokseen ja tuotantoon maailmanlaajuisesti.