Formulation de composites renforcés par ultrasons
- Les composites présentent des propriétés uniques, telles qu’une stabilité thermique, un module d’élasticité, une résistance à la traction et une résistance à la rupture nettement améliorés, et sont donc largement utilisés dans la fabrication de nombreux produits.
- Il est démontré que la sonication permet de produire des nanocomposites de haute qualité contenant des CNTs, du graphène, etc., très bien dispersés.
- Des équipements à ultrasons pour la formulation de composites renforcés sont disponibles à l’échelle industrielle.
Nanocomposites
Les nanocomposites se distinguent par leurs propriétés mécaniques, électriques, thermiques, optiques, électrochimiques et/ou catalytiques.
Grâce au rapport surface/volume exceptionnellement élevé de leur phase de renforcement et/ou à leur rapport d’aspect exceptionnellement élevé, les nanocomposites sont nettement plus performants que les composites conventionnels. Des nanoparticules telles que la silice sphérique, des feuillets minéraux tels que le graphène exfolié ou l’argile, ou des nanofibres telles que les nanotubes de carbone ou les fibres électrofilées sont fréquemment utilisés pour le renforcement.
Par exemple, des nanotubes de carbone sont ajoutés pour améliorer la conductivité électrique et thermique, tandis que la nanosilice est utilisée pour améliorer les propriétés mécaniques, thermiques et de résistance à l’eau. D’autres types de nanoparticules améliorent les propriétés optiques, les propriétés diélectriques, la résistance à la chaleur ou les propriétés mécaniques telles que la rigidité, la résistance mécanique et la résistance à la corrosion et aux dommages.
Exemples de nanocomposites formulés par ultrasons :
- nanotubes de carbone (CNT) dans une matrice de vinylester
- CNTs / oignons de carbone / nanodiamants dans une matrice métallique de nickel
- CNTs dans une matrice d’alliage de magnésium
- CNTs dans une matrice d’alcool polyvinylique (PVA)
- nanotube de carbone multiparoi (MWCNT) dans une matrice de résine époxy (avec de l’anhydride méthyltétrahydrophtalique (MTHPA) comme agent de durcissement)
- oxyde de graphène dans une matrice de poly(alcool vinylique) (PVA)
- nanoparticules de SiC dans une matrice de magnésium
- nanosilice (Aerosil) dans une matrice de polystyrène
- oxyde de fer magnétique dans une matrice de polyuréthane (PU) souple
- oxyde de nickel dans un graphite/poly(chlorure de vinyle)
- nanoparticules de dioxyde de titane dans une matrice de poly(acide lactique-co-glycolique) (PLGA)
- nanohydroxyapatite dans une matrice de poly(acide lactique-co-glycolique) (PLGA)
Dispersion par ultrasons
Les paramètres du procédé ultrasonore peuvent être contrôlés avec précision et adaptés de manière optimale à la composition du matériau et à la qualité souhaitée du produit final. La dispersion par ultrasons est la technique recommandée pour incorporer des nanoparticules telles que les CNTs ou le graphène dans des nanocomposites. Éprouvées depuis longtemps dans la recherche scientifique et mises en œuvre dans de nombreuses installations de production industrielle, la dispersion et la formulation de nanocomposites par ultrasons constituent une méthode bien établie. La longue expérience de Hielscher dans le traitement des nanomatériaux par ultrasons permet de fournir des conseils approfondis, de recommander une configuration ultrasonore adaptée et d’apporter une assistance pendant le développement et l’optimisation du procédé.
Dans la plupart des cas, les nanoparticules de renforcement sont dispersées dans la matrice pendant le traitement. Le pourcentage massique (fraction massique) du nanomatériau ajouté reste faible, par exemple de 0,5% à 5%, car la dispersion uniforme obtenue par sonication permet de réduire la quantité de charges de renforcement tout en améliorant les performances du renforcement.
Une application typique des ultrasons dans la fabrication est la formulation de composites nanoparticules-résine. Pour produire du vinylester renforcé par des CNTs, la sonication est utilisée pour disperser et fonctionnaliser les CNTs. Ces composites CNT-vinylester se caractérisent par des propriétés électriques et mécaniques améliorées.
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Nanoparticule fonctionnalisée par ultrasons
Appareil à ultrasons UIP1500hd avec réacteur à circulation
Graphène
Le graphène présente des propriétés physiques exceptionnelles, un rapport d’aspect élevé et une faible densité. Le graphène et l’oxyde de graphène sont intégrés dans une matrice composite afin d’obtenir des polymères légers et à haute résistance. Pour assurer le renforcement mécanique, les feuillets / plaquettes de graphène doivent être très finement dispersés, car les feuillets de graphène agglomérés limitent considérablement l’effet de renforcement.
Les recherches scientifiques ont montré que l’ampleur de l’amélioration dépend principalement du degré de dispersion des feuillets de graphène dans la matrice. Seul un graphène dispersé de manière homogène produit les effets souhaités. En raison de sa forte hydrophobicité et de l’attraction de van der Waals, le graphène a tendance à s’agréger et à s’agglomérer en flocons constitués de feuillets monocouches interagissant faiblement entre eux.
Alors que les techniques de dispersion courantes ne permettent souvent pas de produire des dispersions homogènes de graphène sans l’endommager, les appareils à ultrasons de forte puissance produisent des dispersions de graphène de haute qualité. Les appareils à ultrasons Hielscher traitent sans difficulté le graphène vierge, l’oxyde de graphène et l’oxyde de graphène réduit, à faible comme à forte concentration et pour de petits comme de grands volumes. Un solvant couramment utilisé est la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), mais les ultrasons de forte puissance permettent même de disperser le graphène dans des solvants peu adaptés et à faible point d’ébullition, tels que l’acétone, le chloroforme, l’IPA et la cyclohexanone.
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Nanotubes de carbone et autres nanomatériaux
Il est démontré que les ultrasons de puissance permettent d’obtenir des dispersions de particules fines de divers nanomatériaux, notamment les nanotubes de carbone (CNTs), les SWNTs, les MWNTs, les fullerènes, la silice (SiO2), le dioxyde de titane (TiO2), l’argent (Ag), l’oxyde de zinc (ZnO), la cellulose nanofibrillée et bien d’autres. En général, la sonication surpasse les disperseurs conventionnels et permet d’obtenir des résultats uniques.
Outre le broyage et la dispersion de nanoparticules, d’excellents résultats sont obtenus par la synthèse de nanoparticules au moyen de la précipitation par ultrasons (synthèse ascendante). Il a été observé que la taille des particules, par exemple de magnétite, de molybdate de sodium et de zinc et d’autres matériaux synthétisés par ultrasons, est inférieure à celle obtenue avec la méthode conventionnelle. Cette taille plus faible est attribuée à une vitesse de nucléation accrue et à de meilleures conditions de mélange dues au cisaillement et à la turbulence générés par la cavitation ultrasonore.
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Fonctionnalisation des particules par ultrasons
La surface spécifique d’une particule augmente lorsque sa taille diminue. En nanotechnologie en particulier, les caractéristiques des matériaux s’expriment beaucoup plus fortement lorsque la surface des particules augmente. Les ultrasons permettent d’augmenter et de modifier cette surface en fixant des molécules fonctionnelles appropriées à la surface des particules. Pour l’application et l’utilisation des nanomatériaux, les propriétés de surface sont aussi importantes que celles du cœur des particules.
Les particules fonctionnalisées par ultrasons sont largement utilisées dans les polymères, les composites et biocomposites, les nanofluides, les dispositifs assemblés, les nanomédicaments, etc. La fonctionnalisation des particules améliore considérablement des caractéristiques telles que la stabilité, la résistance mécanique et la rigidité, la solubilité, la polydispersité, la fluorescence, le magnétisme, le superparamagnétisme, l’absorption optique, la densité électronique élevée, la photoluminescence, etc.
Les particules couramment fonctionnalisées à l’échelle commerciale avec les systèmes à ultrasons Hielscher comprennent les CNTs, les SWNTs, les MWNTs, le graphène, le graphite, la silice (SiO2), les nanodiamants, la magnétite (oxyde de fer, Fe3O4), les nanoparticules d’argent, les nanoparticules d’or, les nanoparticules poreuses et mésoporeuses, etc.
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Disperseurs à ultrasons
Les équipements de dispersion par ultrasons Hielscher sont disponibles pour le laboratoire, la paillasse et la production industrielle. Les appareils à ultrasons Hielscher sont fiables, robustes, faciles à utiliser et à nettoyer. Les équipements sont conçus pour fonctionner 24/7 dans des conditions d’utilisation intensive. Les systèmes à ultrasons peuvent être utilisés pour le traitement par lots et en ligne – ils sont flexibles et s’adaptent facilement à votre procédé et à vos exigences.
Capacités de traitement par ultrasons par lots et en ligne
| Volume du lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 5 à 200mL | 50 à 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 à 2L | 0,25 à 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 à 10L | 1 à 8m3/hr | UIP4000 |
| sans objet | 4 à 30m3/hr | UIP16000 |
| sans objet | plus de 30m3/hr | ensemble de UIP10000 ou UIP16000 |
Appareil à ultrasons de laboratoire pour la fonctionnalisation des particules
Bibliographie et références
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): Étude des performances d’inhibition de la corrosion d’un nanopigment de molybdate de sodium et de zinc préparé par ultrasons dans un revêtement époxy-polyamide bicomposant. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A. ; Moghaddam, S.T. ; Noruzian, M.(2016) : Préparation de nouveaux nanocomposites magnétiques en mousse de polyuréthane à l’aide de nanoparticules core-shell. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Préparation d’un matériau composite à base d’oxyde de graphène et de polystyrène. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.
Informations utiles
À propos des matériaux composites
Les matériaux composites (également appelés matériaux de composition) sont décrits comme des matériaux constitués de deux ou plusieurs composants présentant des propriétés physiques ou chimiques nettement différentes. Lorsque ces matériaux constitutifs sont combinés, un nouveau matériau – appelé composite – est produit, qui présente des caractéristiques différentes de celles des composants individuels. Les composants individuels restent séparés et distincts au sein de la structure finale.
Le nouveau matériau présente de meilleures propriétés : il est, par exemple, plus résistant mécaniquement, plus léger, plus durable ou moins coûteux que les matériaux conventionnels. Les améliorations apportées par les nanocomposites concernent les propriétés mécaniques, électriques / conductrices, thermiques, optiques, électrochimiques et catalytiques.
Les matériaux composites conçus pour des applications techniques comprennent notamment :
- biocomposites
- plastiques renforcés, tels que les polymères renforcés de fibres
- composites métalliques
- composites céramiques (composites à matrice céramique et à matrice métallique)
Les matériaux composites sont généralement utilisés comme matériaux de construction et de structure, notamment pour les coques de bateaux, les plans de travail, les carrosseries automobiles, les baignoires, les réservoirs de stockage, les éviers en imitation granit et en marbre reconstitué, ainsi que dans les engins spatiaux et les aéronefs.
Les composites peuvent également utiliser des fibres métalliques pour renforcer d’autres métaux, comme dans les composites à matrice métallique (MMC) ou les composites à matrice céramique (CMC), qui comprennent l’os (hydroxyapatite renforcée de fibres de collagène), le cermet (céramique et métal) et le béton.
Les composites à matrice organique et granulats céramiques comprennent le béton bitumineux, le béton polymère, l’asphalte coulé, le « mastic roller hybrid », les composites dentaires, la mousse syntactique et la nacre.
À propos des effets des ultrasons sur les particules
Les propriétés des particules peuvent être observées lorsque leur taille est réduite à un certain seuil (appelé taille critique). Lorsque les dimensions des particules atteignent l’échelle nanométrique, les interactions aux interfaces entre phases sont considérablement améliorées, ce qui est essentiel pour améliorer les caractéristiques des matériaux. Le rapport surface : volume des matériaux utilisés pour le renforcement des nanocomposites joue donc un rôle majeur. Les nanocomposites offrent des avantages technologiques et économiques pour presque tous les secteurs industriels, notamment l’aérospatiale, l’automobile, l’électronique, la biotechnologie, la pharmacie et la médecine. Leur caractère respectueux de l’environnement constitue un autre avantage majeur.
Les ultrasons de puissance améliorent la mouillabilité et l’homogénéisation entre la matrice et les particules grâce à un mélange et à une dispersion intenses – générés par la cavitation ultrasonore. La sonication étant la méthode de dispersion la plus utilisée et la plus efficace pour les nanomatériaux, les systèmes à ultrasons Hielscher sont installés dans des laboratoires, des installations pilotes et des unités de production du monde entier.