Production avantageuse d'hydrogel par ultrasons

La sonication est une technique très efficace, fiable et simple pour la préparation d'hydrogels à 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'autocicatrisation.

Polymérisation et dispersion ultrasoniques pour la production d'hydrogel

Les hydrogels sont des réseaux polymériques tridimensionnels hydrophiles capables d'absorber de grandes quantités d'eau ou de fluides. Les hydrogels présentent une capacité de gonflement extraordinaire. Les éléments constitutifs communs des hydrogels comprennent l'alcool polyvinylique, le polyéthylène glycol, le polyacrylate de sodium, les polymères d'acrylate, les carbomères, les polysaccharides ou les polypeptides ayant un nombre élevé 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 nano- / microstructures.
La dispersion ultrasonique est largement utilisée comme une technique très efficace et fiable pour homogénéiser des 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 autres microns ou nanostructures dans la matrice polymère des hydrogels. Cela fait de la sonication un outil principal pour produire des hydrogels à hautes performances et aux qualités extraordinaires.

Ce que montre la recherche – Préparation d'hydrogel par ultrasons

Premièrement, les ultrasons favorisent la polymérisation et les réactions de réticulation pendant la formation de l'hydrogel.
Deuxièmement, il a été prouvé que l'ultrason est une technique de dispersion fiable et efficace pour la production d'hydrogels et de nanocomposites hydrogels.

Réticulation et polymérisation des hydrogels par ultrasons

Les ultrasons aident à la formation de réseaux polymères pendant la synthèse d'hydrogel 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 ont été préparés 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 aqueux visqueux 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'hydrogel, 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". Cass et al. 2010] L'application d'ultrasons à l'aide d'une sonde ultrasonique 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'un initiateur chimique.

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

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

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

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

Ultrasons à haute performance pour la synthèse d'hydrogel

Hielscher Ultrasonics fabrique des équipements ultrasoniques de haute performance pour la synthèse d'hydrogels. De la petite et moyenne R&De l'ultrasonore D et pilote aux systèmes industriels pour la fabrication commerciale d'hydrogel en mode continu, Hielscher Ultrasons couvre vos besoins en matière de procédés.
Les ultrasonateurs de qualité industrielle peuvent fournir de très grandes amplitudes, ce qui permet des réactions de réticulation et de polymérisation fiables et la dispersion uniforme des nanoparticules. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent facilement être utilisées 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 ultrasonicators: