Vahvistettujen komposiittien formulointi ultraäänellä
- Komposiiteilla on ainutlaatuisia materiaaliominaisuuksia, kuten merkittävästi parempi lämpöstabiilisuus, kimmomoduuli, vetolujuus ja murtolujuus, minkä vuoksi niitä käytetään laajalti monenlaisten tuotteiden valmistuksessa.
- Ultraäänikäsittelyn on osoitettu tuottavan korkealaatuisia nanokomposiitteja, joissa hiilinanoputket, grafeeni jne. ovat erittäin hyvin dispergoituneina.
- Vahvistettujen komposiittien formulointiin tarkoitettuja ultraäänilaitteita on saatavilla teollisessa mittakaavassa.
Nanokomposiitit
Nanokomposiitit erottuvat edukseen mekaanisten, sähköisten, termisten, optisten, sähkökemiallisten ja/tai katalyyttisten ominaisuuksiensa ansiosta.
Vahvistavan faasin poikkeuksellisen suuren pinta-alan ja tilavuuden suhteen ja/tai poikkeuksellisen suuren sivusuhteen ansiosta nanokomposiitit ovat suorituskyvyltään merkittävästi parempia kuin tavanomaiset komposiitit. Vahvistamiseen käytetään usein nanohiukkasia, kuten pallomaista piidioksidia, mineraalilevyjä, kuten eksfolioitua grafeenia tai savea, tai nanokuituja, kuten hiilinanoputkia tai sähkökehrättyjä kuituja.
Esimerkiksi hiilinanoputkia lisätään sähkön- ja lämmönjohtavuuden parantamiseksi, ja nanopiidioksidia käytetään mekaanisten ja termisten ominaisuuksien sekä vedenkestävyyden parantamiseen. Muuntyyppiset nanohiukkaset parantavat optisia ominaisuuksia, dielektrisiä ominaisuuksia, lämmönkestävyyttä tai mekaanisia ominaisuuksia, kuten jäykkyyttä, lujuutta sekä korroosion- ja vaurionkestävyyttä.
Esimerkkejä ultraäänellä formuloiduista nanokomposiiteista:
- hiilinanoputket (CNT) vinyyliesterimatriisissa
- hiilinanoputket / hiilisipulit / nanotimantit nikkelimetallimatriisissa
- hiilinanoputket magnesiumseosmatriisissa
- hiilinanoputket polyvinyylialkoholimatriisissa (PVA)
- moniseinäinen hiilinanoputki (MWCNT) epoksihartsimatriisissa (kovetteena käytetään metyylitetrahydroftaalihappoanhydridiä (MTHPA))
- grafeenioksidi poly(vinyylialkoholi)matriisissa (PVA)
- SiC-nanohiukkaset magnesiummatriisissa
- nanopiidioksidi (Aerosil) polystyreenimatriisissa
- magneettinen rautaoksidi joustavassa polyuretaanimatriisissa (PU)
- nikkelioksidi grafiitissa/poly(vinyylikloridissa)
- titaanidioksidinanohiukkaset poly(maitohappo-ko-glykolihappo)matriisissa (PLGA)
- nanohydroksiapatiitti poly(maitohappo-ko-glykolihappo)matriisissa (PLGA)
Dispergointi ultraäänellä
Ultraääniprosessin parametreja voidaan säätää tarkasti ja mukauttaa optimaalisesti materiaalin koostumukseen ja haluttuun lopputuotteen laatuun. Ultraäänidispergointi on suositeltu tekniikka nanohiukkasten, kuten hiilinanoputkien tai grafeenin, sisällyttämiseen nanokomposiitteihin. Nanokomposiittien dispergointi ja formulointi ultraäänellä on vakiintunut menetelmä, jota on testattu pitkään tieteellisesti ja otettu käyttöön monissa teollisissa tuotantolaitoksissa. Hielscherin pitkä kokemus nanomateriaalien ultraäänikäsittelystä takaa perusteellisen neuvonnan, sopivan ultraäänilaitteiston suosittelemisen sekä tuen prosessin kehittämisessä ja optimoinnissa.
Vahvistavat nanohiukkaset dispergoidaan yleensä matriisiin käsittelyn aikana. Lisätyn nanomateriaalin painoprosentti (massaosuus) on pieni, esimerkiksi 0,5 % – 5 %, sillä ultraäänikäsittelyllä saavutettu tasainen dispersio mahdollistaa vahvistavien täyteaineiden säästämisen ja paremman vahvistustehon.
Tyypillinen ultraäänen sovellus valmistuksessa on nanohiukkas-hartsikomposiitin formulointi. Hiilinanoputkilla vahvistetun vinyyliesterin valmistuksessa ultraäänikäsittelyä käytetään hiilinanoputkien dispergointiin ja funktionalisointiin. Näille CNT-vinyyliestereille ovat ominaisia paremmat sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet.
Lue lisää hiilinanoputkien dispergoinnista napsauttamalla tästä!
Grafeeni
Grafeenilla on poikkeukselliset fysikaaliset ominaisuudet, suuri sivusuhde ja pieni tiheys. Grafeenia ja grafeenioksidia sisällytetään komposiittimatriisiin kevyiden, erittäin lujien polymeerien saamiseksi. Mekaanisen vahvistuksen saavuttamiseksi grafeenilevyt / -levykkeet on dispergoitava erittäin hienojakoisesti, sillä agglomeroituneet grafeenilevyt rajoittavat vahvistavaa vaikutusta huomattavasti.
Tieteelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että parannuksen suuruus riippuu pääasiassa grafeenilevyjen dispergoitumisasteesta matriisissa. Vain homogeenisesti dispergoitunut grafeeni tuottaa halutut vaikutukset. Voimakkaan hydrofobisuutensa ja van der Waalsin vetovoiman vuoksi grafeeni on altis aggregoitumaan ja agglomeroitumaan hiutaleiksi, jotka koostuvat heikosti keskenään vuorovaikuttavista yksikerroksisista levyistä.
Tavanomaiset dispergointitekniikat eivät usein pysty tuottamaan homogeenisia, vaurioitumattomia grafeenidispersioita, mutta suuritehoiset ultraäänilaitteet tuottavat korkealaatuisia grafeenidispersioita. Hielscherin ultraäänilaitteet käsittelevät vaivattomasti muokkaamatonta grafeenia, grafeenioksidia ja pelkistettyä grafeenioksidia pienistä suuriin pitoisuuksiin ja pienistä suuriin tilavuuksiin. Yleisesti käytetty liuotin on N-metyyli-2-pyrrolidoni (NMP), mutta suuritehoisella ultraäänellä grafeenia voidaan dispergoida jopa huonoihin, matalan kiehumispisteen liuottimiin, kuten asetoniin, kloroformiin, IPA:han ja sykloheksanoniin.
Lue lisää grafeenin eksfolioinnista suurissa määrissä napsauttamalla tästä!
Hiilinanoputket ja muut nanomateriaalit
Tehoultraäänen on osoitettu tuottavan hienojakoisia dispersioita erilaisista nanomateriaaleista, kuten hiilinanoputkista (CNT), yksiseinäisistä hiilinanoputkista (SWNT), moniseinäisistä hiilinanoputkista (MWNT), fullereeneista, piidioksidista (SiO2), titaanidioksidista (TiO2), hopeasta (Ag), sinkkioksidista (ZnO), nanofibrilloidusta selluloosasta ja monista muista. Yleisesti ottaen ultraäänikäsittely on suorituskyvyltään tavanomaisia dispergointilaitteita parempi ja voi saavuttaa ainutlaatuisia tuloksia.
Nanohiukkasten jauhamisen ja dispergoinnin lisäksi erinomaisia tuloksia saavutetaan syntetisoimalla nanohiukkasia ultraäänisaostuksella (bottom-up-synteesi). On havaittu, että esimerkiksi ultraäänellä syntetisoidun magnetiitin, natriumsinkkimolybdaatin ja muiden aineiden hiukkaskoko on pienempi kuin tavanomaisella menetelmällä saatu hiukkaskoko. Pienempi koko johtuu nopeammasta ydintymisestä ja paremmista sekoittumisolosuhteista, jotka aiheutuvat ultraäänikavitaation synnyttämästä leikkauksesta ja turbulenssista.
Lue lisää ultraäänellä toteutettavasta bottom-up-saostuksesta napsauttamalla tästä!
Hiukkasten funktionalisointi ultraäänellä
Hiukkasen ominaispinta-ala kasvaa koon pienentyessä. Erityisesti nanoteknologiassa materiaaliominaisuudet tulevat huomattavasti voimakkaammin esiin hiukkasen pinta-alan kasvaessa. Pinta-alaa voidaan kasvattaa ja muokata ultraäänellä kiinnittämällä sopivia funktionaalisia molekyylejä hiukkasen pinnalle. Nanomateriaalien sovellusten ja käytön kannalta pintaominaisuudet ovat yhtä tärkeitä kuin hiukkasen ytimen ominaisuudet.
Ultraäänellä funktionalisoituja hiukkasia käytetään laajalti polymeereissä, komposiiteissa ja biokomposiiteissa, nanofluideissa, kootuissa laitteissa, nanolääkkeissä jne. Hiukkasten funktionalisointi parantaa huomattavasti ominaisuuksia, kuten stabiilisuutta, lujuutta ja jäykkyyttä, liukoisuutta, polydispersiteettiä, fluoresenssia, magnetismia, superparamagnetismia, optista absorptiota, suurta elektronitiheyttä, fotoluminesenssia jne.
Yleisiä Hielscherin ultraäänijärjestelmillä kaupallisesti funktionalisoitavia hiukkasia ovat hiilinanoputket (CNT), yksiseinäiset hiilinanoputket (SWNT), moniseinäiset hiilinanoputket (MWNT), grafeeni, grafiitti, piidioksidi (SiO2), nanotimantit, magnetiitti (rautaoksidi, Fe3O4), hopeananohiukkaset, kultananohiukkaset, huokoiset ja mesohuokoiset nanohiukkaset jne.
Katso valikoituja hiukkasten ultraäänikäsittelyä koskevia sovellusohjeita napsauttamalla tästä!
Ultraäänidispergointilaitteet
Hielscherin ultraäänidispergointilaitteita on saatavilla laboratorioon, pöytäkäyttöön ja teolliseen tuotantoon. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat luotettavia, kestäviä sekä helppoja käyttää ja puhdistaa. Laitteisto on suunniteltu toimimaan 24/7 vaativissa olosuhteissa. Ultraäänijärjestelmiä voidaan käyttää erä- ja linjakäsittelyyn – joustavasti ja helposti prosessiisi ja vaatimuksiisi mukautettavina.
Ultraäänikäsittelyn erätilavuudet ja tilavuusvirrat
| Erätilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 5–200 mL | 50–500 mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1–2 L | 0,25–2 m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4–10 L | 1–8 m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4–30 m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | yli 30 m3/hr | laiteryhmä: UIP10000 tai UIP16000 |
Laboratoriokäyttöön tarkoitettu ultraäänilaite hiukkasten funktionalisointiin
Kirjallisuus ja lähteet
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): ”Ultraäänellä valmistetun natriumsinkkimolybdaattinanopigmentin korroosionestotehon tutkimus kaksikomponenttisessa epoksi-polyamidipinnoitteessa. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833–852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Uusien magneettisten polyuretaanivaahtonanokomposiittien valmistus ydin-kuorinanohiukkasia käyttäen. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Grafeenioksidi–polystyreenikomposiittimateriaalin valmistus. 3. kansainvälinen ympäristön, kemian ja biologian konferenssi. IPCBEE vol.78, 2014.
Hyödyllistä tietoa
Tietoa komposiittimateriaaleista
Komposiittimateriaalit (tunnetaan myös yhdistelmämateriaaleina) määritellään materiaaleiksi, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta ainesosasta, joiden fysikaaliset tai kemialliset ominaisuudet eroavat merkittävästi toisistaan. Kun nämä ainesosamateriaalit yhdistetään, syntyy uusi materiaali – niin sanottu komposiitti – jonka ominaisuudet eroavat yksittäisten komponenttien ominaisuuksista. Yksittäiset komponentit säilyvät erillisinä ja toisistaan erottuvina valmiissa rakenteessa.
Uudella materiaalilla on parempia ominaisuuksia: se on esimerkiksi vahvempi, kevyempi, kestävämpi tai edullisempi kuin tavanomaiset materiaalit. Nanokomposiittien parannukset ulottuvat mekaanisista, sähköisistä / johtavuuteen liittyvistä, termisistä, optisista ja sähkökemiallisista ominaisuuksista katalyyttisiin ominaisuuksiin.
Tyypillisiä teknisesti valmistettuja komposiittimateriaaleja ovat:
- biokomposiitit
- vahvistetut muovit, kuten kuituvahvistettu polymeeri
- metallikomposiitit
- keraamiset komposiitit (keraamimatriisi- ja metallimatriisikomposiitti)
Komposiittimateriaaleja käytetään yleisesti rakennus- ja rakennemateriaaleina esimerkiksi veneiden rungoissa, työtasoissa, autojen koreissa, kylpyammeissa, varastosäiliöissä, graniittijäljitelmissä ja valumarmorista valmistetuissa pesualtaissa sekä avaruusaluksissa ja lentokoneissa.
Komposiiteissa voidaan käyttää myös muita metalleja vahvistavia metallikuituja, kuten metallimatriisikomposiiteissa (MMC) tai keraamimatriisikomposiiteissa (CMC), joihin kuuluvat luu (kollageenikuiduilla vahvistettu hydroksiapatiitti), kermetti (keramiikka ja metalli) ja betoni.
Orgaanisen matriisin ja keraamisen kiviaineksen komposiitteja ovat asfalttibetoni, polymeeribetoni, mastiksiasfaltti, mastic roller hybrid, hammaslääketieteellinen komposiitti, syntaktinen vaahto ja helmiäinen.
Tietoa ultraäänen vaikutuksista hiukkasiin
Hiukkasten ominaisuuksia voidaan havaita, kun hiukkaskoko pienenee tietylle tasolle (jota kutsutaan kriittiseksi kooksi). Kun hiukkasten mitat saavuttavat nanometriluokan, faasirajapintojen vuorovaikutukset paranevat huomattavasti, mikä on ratkaisevan tärkeää materiaalien ominaisuuksien parantamiseksi. Siten nanokomposiittien vahvistamiseen käytettävien materiaalien pinta-alan ja tilavuuden suhde on kaikkein merkittävin. Nanokomposiitit tarjoavat teknologisia ja taloudellisia etuja lähes kaikille teollisuudenaloille, mukaan lukien ilmailu- ja avaruusteollisuus, autoteollisuus, elektroniikkateollisuus, bioteknologia, lääketeollisuus ja lääketieteellinen ala. Niiden ympäristöystävällisyys on vielä yksi suuri etu.
Tehoultraääni parantaa matriisin ja hiukkasten välistä kostutettavuutta ja homogenisoitumista voimakkaalla sekoituksella ja dispergoinnilla, jotka synnyttää ultraäänikavitaatio. Koska ultraäänikäsittely on nanomateriaalien yleisimmin käytetty ja menestyksekkäin dispergointimenetelmä, Hielscherin ultraäänijärjestelmiä on asennettu laboratorioihin, pilottilaitoksiin ja tuotantoon ympäri maailmaa.