Production avantageuse d'hydrogel par ultrasons

La sonication est une technique très efficace, fiable et simple pour la préparation d'hydrogels de haute performance. Ces hydrogels offrent d'excellentes propriétés matérielles telles que les capacités d'absorption, la viscoélasticité, la résistance mécanique, le module de compression et les fonctionnalités d'auto-guérison.

Polymérisation et dispersion par ultrasons pour la production d'hydrogels

Les hydrogels sont des réseaux polymères tridimensionnels hydrophiles capables d'absorber de grandes quantités d'eau ou de fluides. Les hydrogels présentent une capacité de gonflement extraordinaire. Les éléments constitutifs courants des hydrogels sont l'alcool polyvinylique, le polyéthylène glycol, le polyacrylate de sodium, les polymères d'acrylate, les carbomères, les polysaccharides ou les polypeptides avec un grand nombre de groupes hydrophiles, et les protéines naturelles telles que le collagène, la gélatine et la fibrine.
Les hydrogels dits hybrides sont constitués de divers matériaux chimiquement, fonctionnellement et morphologiquement distincts, tels que des protéines, des peptides ou des nanostructures/microstructures.
La dispersion ultrasonique est largement utilisée comme une technique très efficace et fiable pour homogénéiser les nanomatériaux tels que les nanotubes de carbone (CNT, MWCNT, SWCNT), les nanocristaux de cellulose, les nanofibres de chitine, le dioxyde de titane, les nanoparticules d'argent, les protéines et d'autres microstructures ou nanostructures dans la matrice polymérique des hydrogels. Cela fait de la sonication un outil essentiel pour produire des hydrogels de haute performance aux qualités extraordinaires.

Ce que montre la recherche – Préparation de l'hydrogel par ultrasons

Premièrement, les ultrasons favorisent les réactions de polymérisation et de réticulation pendant la formation de l'hydrogel.
Deuxièmement, l'ultrasonication s'est avérée être une technique de dispersion fiable et efficace pour la production d'hydrogels et d'hydrogels nanocomposites.

Réticulation et polymérisation des hydrogels par ultrasons

Les ultrasons favorisent la formation de réseaux polymères lors de la synthèse d'hydrogels par la génération de radicaux libres. Les ondes ultrasonores intenses génèrent une cavitation acoustique qui provoque des forces de cisaillement élevées, un cisaillement moléculaire et la formation de radicaux libres.

Cass et al. (2010) ont préparé plusieurs "hydrogels acryliques" par polymérisation ultrasonique de monomères et de macromonomères solubles dans l'eau. Les ultrasons ont été utilisés pour créer des radicaux initiateurs dans des soluions aqueuses visqueuses de monomères en utilisant les additifs glycérol, sorbitol ou glucose dans un système ouvert à 37°C. Les additifs solubles dans l'eau étaient essentiels pour la production d'hydrogels, le glycérol étant le plus efficace. Les hydrogels ont été préparés à partir des monomères suivants : méthacrylate de 2-hydroxyéthyle, diméthacrylate de poly(éthylène glycol), méthacrylate de dextran, diméthacrylate d'acide acrylique/éthylène glycol et acrylamide/bis-acrylamide". [L'application d'ultrasons à l'aide d'une sonde à ultrasons s'est avérée être une méthode efficace pour la polymérisation de monomères vinyliques solubles dans l'eau et la préparation ultérieure d'hydrogels. La polymérisation initiée par ultrasons se produit rapidement en l'absence d'initiateur chimique.

En savoir plus sur la synthèse ultrasonique d'hydrogels et de nanogels nanocomposites !

L'ultrasonication est compatible avec tous les types de polymères et de biopolymères et permet de renforcer les hydrogels hybrides avec des matériaux nanostructurés tels que des nanoparticules, des nanocristaux ou des nanofibres. Le renforcement des hydrogels avec divers nanomatériaux permet de modifier et de contrôler les propriétés physicochimiques et rhéomécaniques des hydrogels nanocomposites, étant donné que les microstructures sont le facteur clé des propriétés matérielles obtenues.

Fabrication de l'acide poly(acrylamide-co-itaconique) – Hydrogel de MWCNT par sonication

Mohammadinezhada et al. (2018) ont réussi à produire un composite d'hydrogel superabsorbant contenant du poly(acrylamide-co-acide itaconique) et des nanotubes de carbone multiparois (MWCNT). L'ultrasonication a été réalisée avec l'appareil à ultrasons Hielscher UP200SLa stabilité de l'hydrogel a augmenté avec l'augmentation des ratios de MWCNT, ce qui pourrait être attribué à la nature hydrophobe des MWCNT ainsi qu'à l'augmentation de la densité de l'agent réticulant. La capacité de rétention d'eau (WRC) de l'hydrogel P(AAm-co-IA) a également augmenté en présence de MWCNT (10 % en poids). Dans cette étude, les effets de l'ultrasonication ont été jugés supérieurs en ce qui concerne la distribution uniforme des nanotubes de carbone à la surface du polymère. Les MWCNT sont restés intacts sans aucune interruption de la structure polymère. En outre, la résistance du nanocomposite obtenu, sa capacité de rétention d'eau et l'absorption d'autres matériaux solubles tels que le Pb (II) ont été accrues. La sonication a brisé l'initiateur et dispersé les MWCNT en tant qu'excellente charge dans les chaînes de polymères à une température plus élevée.
Les chercheurs concluent que ces "conditions de réaction ne peuvent pas être obtenues par des méthodes conventionnelles, et que l'homogénéité et la bonne dispersion des particules dans l'hôte ne peuvent pas être obtenues. En outre, le processus de sonication sépare les nanoparticules en une seule particule, alors que l'agitation ne permet pas de le faire. Un autre mécanisme de réduction de la taille est l'effet des ondes acoustiques puissantes sur les liaisons secondaires telles que la liaison hydrogène. Cette irradiation brise la liaison H des particules et, par la suite, dissocie les particules agrégées et augmente le nombre de groupes adsorbants libres tels que -OH et l'accessibilité. Ainsi, ce phénomène important fait de la sonication une méthode supérieure aux autres méthodes telles que l'agitation magnétique utilisée dans la littérature". [Mohammadinezhada et al., 2018]

Ultrasons à haute performance pour la synthèse d'hydrogels

Hielscher Ultrasonics fabrique des équipements ultrasoniques de haute performance pour la synthèse d'hydrogels. De la petite à la moyenne R&D et des ultrasons pilotes aux systèmes industriels pour la fabrication commerciale d'hydrogels en mode continu, Hielscher Ultrasonics répond à vos besoins en matière de processus.
Les ultrasons de qualité industrielle peuvent fournir des amplitudes très élevées, qui permettent des réactions de réticulation et de polymérisation fiables et la dispersion uniforme de nanoparticules. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 et 365 jours par an. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles.

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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :