פורמולציה אולטרסונית של חומרים מרוכבים מחוזקים
- חומרים מרוכבים מציגים תכונות חומר ייחודיות, כגון יציבות תרמית, מודול אלסטיות, חוזק מתיחה וחוזק שבר המשופרים במידה ניכרת, ולכן הם משמשים בהיקף נרחב לייצור מגוון מוצרים.
- הוכח כי סוניקציה מפיקה ננו־מרוכבים באיכות גבוהה עם ננו־צינוריות פחמן (CNTs), גרפן וכדומה המפוזרים היטב.
- ציוד אולטרסוני לפורמולציה של חומרים מרוכבים מחוזקים זמין בקנה מידה תעשייתי.
ננו־מרוכבים
ננו־מרוכבים מצטיינים בתכונותיהם המכניות, החשמליות, התרמיות, האופטיות, האלקטרוכימיות ו/או הקטליטיות.
בזכות היחס הגבוה במיוחד בין שטח הפנים לנפח של הפאזה המחזקת ו/או יחס הממדים הגבוה במיוחד שלהם, ביצועיהם של ננו־מרוכבים טובים במידה ניכרת מאלה של חומרים מרוכבים קונבנציונליים. ננו־חלקיקים כגון סיליקה כדורית, לוחיות מינרליות כגון גרפן שעבר קילוף או חרסית, או ננו־סיבים כגון ננו־צינוריות פחמן או סיבים המיוצרים בטווייה חשמלית, משמשים לעיתים קרובות לחיזוק.
לדוגמה, ננו־צינוריות פחמן מתווספות לשיפור המוליכות החשמלית והתרמית, וננו־סיליקה משמשת לשיפור התכונות המכניות, התרמיות והעמידות למים. סוגים אחרים של ננו־חלקיקים מעניקים תכונות אופטיות משופרות, תכונות דיאלקטריות משופרות, עמידות משופרת בחום או תכונות מכניות משופרות כגון קשיחות, חוזק ועמידות בפני קורוזיה ונזקים.
דוגמאות לננו־מרוכבים שפורמלו באמצעות אולטרסאונד:
- ננו־צינוריות פחמן (CNT) במטריצת ויניל אסטר
- ננו־צינוריות פחמן (CNTs) / מבני פחמן דמויי בצל / ננו־יהלומים במטריצה מתכתית של ניקל
- ננו־צינוריות פחמן (CNTs) במטריצת סגסוגת מגנזיום
- ננו־צינוריות פחמן (CNTs) במטריצת פולי(ויניל אלכוהול) (PVA)
- ננו־צינורית פחמן רב־דופנית (MWCNT) במטריצת שרף אפוקסי (תוך שימוש באנהידריד מתיל טטרהידרופתאלי (MTHPA) כחומר מקשה)
- תחמוצת גרפן במטריצת פולי(ויניל אלכוהול) (PVA)
- ננו־חלקיקי SiC במטריצת מגנזיום
- ננו־סיליקה (Aerosil) במטריצת פוליסטירן
- תחמוצת ברזל מגנטית במטריצת פוליאוריתן (PU) גמישה
- תחמוצת ניקל בגרפיט/פולי(ויניל כלוריד)
- ננו־חלקיקי טיטניה במטריצת פולי(חומצה לקטית־קו־גליקולית) (PLGA)
- ננו־הידרוקסיאפטיט במטריצת פולי(חומצה לקטית־קו־גליקולית) (PLGA)
פיזור אולטרסוני
ניתן לשלוט במדויק בפרמטרים של התהליך האולטרסוני ולהתאימם באופן מיטבי להרכב החומר ולאיכות התוצר הרצויה. פיזור אולטרסוני הוא הטכניקה המומלצת לשילוב ננו־חלקיקים כגון ננו־צינוריות פחמן (CNTs) או גרפן בננו־מרוכבים. הפיזור והפורמולציה של ננו־מרוכבים באמצעות אולטרסאונד הם שיטה מבוססת היטב, שנבחנה לאורך זמן במחקר מדעי ויושמה במפעלי ייצור תעשייתיים רבים. הניסיון רב השנים של Hielscher בעיבוד אולטרסוני של ננו־חומרים מבטיח ייעוץ מעמיק, המלצה על מערך אולטרסוני מתאים וסיוע בפיתוח התהליך ובמיטובו.
לרוב, ננו־החלקיקים המחזקים מפוזרים בתוך המטריצה במהלך העיבוד. האחוז המשקלי (שבר המסה) של הננו־חומר המוסף נמצא בטווח הנמוך, למשל 0.5% עד 5%, שכן הפיזור האחיד המושג באמצעות סוניקציה מאפשר לחסוך בחומרי המילוי המחזקים ולהשיג ביצועי חיזוק גבוהים יותר.
יישום טיפוסי של אולטרסאונד בייצור הוא פורמולציה של חומר מרוכב מננו־חלקיקים ושרף. לייצור ויניל אסטר מחוזק בננו־צינוריות פחמן (CNT), משתמשים בסוניקציה לפיזור ננו־צינוריות הפחמן ולהקניית קבוצות פונקציונליות להן. חומרי ויניל אסטר אלה, המשולבים בננו־צינוריות פחמן, מתאפיינים בתכונות חשמליות ומכניות משופרות.
לחצו כאן לקריאה נוספת על פיזור ננו־צינוריות פחמן (CNTs)!
גרפן
גרפן מציע תכונות פיזיקליות יוצאות דופן, יחס ממדים גבוה וצפיפות נמוכה. גרפן ותחמוצת גרפן משולבים במטריצה של חומר מרוכב כדי לקבל פולימרים קלי משקל ובעלי חוזק גבוה. כדי להשיג את החיזוק המכני, יש לפזר את יריעות / טסיות הגרפן בפיזור עדין מאוד, שכן יריעות גרפן המצויות בצברים מגבילות באופן דרסטי את השפעת החיזוק.
מחקרים מדעיים הראו שמידת השיפור תלויה בעיקר בדרגת הפיזור של יריעות הגרפן במטריצה. רק גרפן המפוזר באופן הומוגני מניב את ההשפעות הרצויות. בשל ההידרופוביות החזקה שלו ומשיכת ואן דר ואלס, גרפן נוטה להתקבץ ולהצטבר לפתיתים המורכבים מיריעות חד־שכבתיות שהאינטראקציות ביניהן חלשות.
בעוד שטכניקות פיזור נפוצות אינן מצליחות לעיתים קרובות להפיק פיזורי גרפן הומוגניים ללא נזק לגרפן, מכשירי אולטרסאונד בהספק גבוה מפיקים פיזורי גרפן באיכות גבוהה. מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מטפלים בגרפן בתולי, בתחמוצת גרפן ובתחמוצת גרפן מחוזרת, מריכוזים נמוכים ועד גבוהים ומנפחים קטנים ועד גדולים, ללא קושי. ממס נפוץ בשימוש הוא N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), אך באמצעות אולטרסאונד בהספק גבוה ניתן לפזר גרפן אפילו בממסים חלשים בעלי נקודת רתיחה נמוכה, כגון אצטון, כלורופורם, IPA וציקלוהקסנון.
לחצו כאן לקריאה נוספת על קילוף שכבות של גרפן בכמויות גדולות!
ננו־צינוריות פחמן וננו־חומרים אחרים
הוכח שאולטרסאונד בהספק גבוה מניב פיזורים דקי־חלקיקים של ננו־חומרים שונים, ובהם ננו־צינוריות פחמן (CNTs), SWNTs, MWNTs, פולרנים, סיליקה (SiO2), טיטניום דו־חמצני (TiO2), כסף (Ag), תחמוצת אבץ (ZnO), תאית המורכבת מננו־סיבים ורבים אחרים. ככלל, סוניקציה עולה בביצועיה על מכשירי פיזור קונבנציונליים ויכולה להשיג תוצאות ייחודיות.
מלבד טחינה ופיזור של ננו־חלקיקים, מושגות תוצאות מצוינות באמצעות סינתזה של ננו־חלקיקים בשיקוע אולטרסוני (סינתזה מלמטה למעלה). נמצא שגודל החלקיקים, למשל של מגנטיט, נתרן אבץ מוליבדט וחומרים אחרים שסונתזו באולטרסאונד, קטן מזה המתקבל בשיטה הקונבנציונלית. הגודל הקטן יותר מיוחס לקצב ההתגרענות המוגבר ולדפוסי הערבוב הטובים יותר הנובעים מהגזירה ומהמערבולות הנוצרות באמצעות קוויטציה אולטרסונית.
לחצו כאן למידע נוסף על שיקוע אולטרסוני מלמטה למעלה!
פונקציונליזציה אולטרסונית של חלקיקים
שטח הפנים הסגולי של חלקיק גדל ככל שגודלו קטן. במיוחד בננוטכנולוגיה, הביטוי של תכונות החומר מתעצם במידה ניכרת עם הגדלת שטח הפנים של החלקיק. ניתן להגדיל ולשנות את שטח הפנים באמצעות אולטרסאונד על ידי הצמדת מולקולות פונקציונליות מתאימות לפני השטח של החלקיק. בכל הנוגע ליישום ולשימוש בננו־חומרים, תכונות פני השטח חשובות באותה מידה כמו תכונות ליבת החלקיק.
חלקיקים שעברו פונקציונליזציה אולטרסונית נמצאים בשימוש נרחב בפולימרים, בחומרים מרוכבים ובחומרים מרוכבים ביולוגיים, בננו־נוזלים, בהתקנים מורכבים, בננו־תרופות ועוד. באמצעות פונקציונליזציה של חלקיקים, מאפיינים כגון יציבות, חוזק וקשיחות, מסיסות, רב־פיזוריות, פלואורסצנציה, מגנטיות, סופר־פאראמגנטיות, בליעה אופטית, צפיפות אלקטרונים גבוהה, פוטולומינסנציה ועוד משתפרים באופן דרסטי.
חלקיקים נפוצים העוברים פונקציונליזציה בקנה מידה מסחרי באמצעות מערכות האולטרסאונד של Hielscher כוללים CNTs, SWNTs, MWNTs, גרפן, גרפיט, סיליקה (SiO2), ננו־יהלומים, מגנטיט (תחמוצת ברזל, Fe3O4), ננו־חלקיקי כסף, ננו־חלקיקי זהב, ננו־חלקיקים נקבוביים ומזופוריים ועוד.
לחצו כאן לעיון בהערות יישום נבחרות לטיפול אולטרסוני בחלקיקים!
מכשירי פיזור אולטרסוניים
ציוד הפיזור האולטרסוני של Hielscher זמין למעבדה, לעבודה על שולחן מעבדה ולייצור תעשייתי. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher אמינים, עמידים וקלים לתפעול ולניקוי. הציוד מיועד לפעולה 24/7 בתנאי עבודה קשים. המערכות האולטרסוניות ניתנות לשימוש בעיבוד באצוות ובעיבוד בקו הייצור – הן גמישות וניתנות להתאמה בקלות לתהליך ולדרישות שלכם.
יכולות עיבוד אולטרסוני באצוות ובקו הייצור
| נפח אצווה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 5 עד 200mL | 50 עד 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 עד 2L | 0.25 עד 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 עד 10L | 1 עד 8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 עד 30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | מעל 30m3/hr | אשכול של UIP10000 או UIP16000 |
מכשיר אולטרסוני מעבדתי לפונקציונליזציה של חלקיקים
ספרות ומקורות
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): "חקירת ביצועי עיכוב הקורוזיה של ננו־פיגמנט נתרן אבץ מוליבדט שהוכן באמצעות אולטרסאונד בציפוי אפוקסי־פוליאמיד דו־רכיבי. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- ניקיה, M.M.A.; מוגדאם, ס"ט; Noruzian, M.(2016): הכנת ננו-מרוכבים חדשים של קצף פוליאוריתן מגנטי באמצעות ננו-חלקיקי מעטפת הליבה. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): הכנת חומר מרוכב של תחמוצת גרפן–פוליסטירן. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.
עובדות שכדאי לדעת
על חומרים מרוכבים
חומרים מרוכבים (המכונים גם חומרי קומפוזיציה) מתוארים כחומרים העשויים משני מרכיבים או יותר, המתאפיינים בתכונות פיזיקליות או כימיות שונות באופן משמעותי. כאשר משלבים את החומרים המרכיבים הללו, נוצר חומר חדש – המכונה חומר מרוכב – המציג תכונות שונות מאלו של המרכיבים הבודדים. המרכיבים הבודדים נותרים נפרדים ומובחנים בתוך המבנה המוגמר.
לחומר החדש יש תכונות טובות יותר, למשל הוא חזק יותר, קל יותר, עמיד יותר או זול יותר בהשוואה לחומרים קונבנציונליים. השיפורים בחומרים ננומטריים מרוכבים משתרעים על פני תכונות מכניות, חשמליות / מוליכות, תרמיות, אופטיות, אלקטרוכימיות וקטליטיות.
חומרים מרוכבים מהונדסים טיפוסיים כוללים:
- חומרים מרוכבים ביולוגיים
- חומרים פלסטיים מחוזקים, כגון פולימר מחוזק בסיבים
- חומרים מרוכבים מתכתיים
- חומרים מרוכבים קרמיים (חומר מרוכב בעל מטריצה קרמית וחומר מרוכב בעל מטריצה מתכתית)
חומרים מרוכבים משמשים בדרך כלל כחומרי בנייה ומבנה, למשל בגופי סירות, במשטחי עבודה, במרכבי מכוניות, באמבטיות, במכלי אחסון, בגרניט מלאכותי ובכיורים משיש מתורבת, וכן בחלליות ובמטוסים.
בחומרים מרוכבים ניתן גם להשתמש בסיבי מתכת המחזקים מתכות אחרות, כמו בחומרים מרוכבים בעלי מטריצה מתכתית (MMC) או בחומרים מרוכבים בעלי מטריצה קרמית (CMC), הכוללים עצם (הידרוקסיאפטיט מחוזק בסיבי קולגן), צרמט (קרמיקה ומתכת) ובטון.
חומרים מרוכבים בעלי מטריצה אורגנית/אגרגט קרמי כוללים בטון אספלט, בטון פולימרי, אספלט מסטיק, mastic roller hybrid, חומר מרוכב דנטלי, קצף סינטקטי ודר.
על השפעות אולטרסוניות על חלקיקים
ניתן להבחין בתכונות של חלקיקים כאשר גודל החלקיק מצטמצם לרמה מסוימת (המכונה גודל קריטי). כאשר ממדי החלקיקים מגיעים לרמה הננומטרית, האינטראקציות בממשקים בין הפאזות משתפרות במידה רבה, דבר החיוני לשיפור תכונות החומרים. לפיכך, היחס בין שטח הפנים לנפח של החומרים המשמשים לחיזוק בחומרים ננומטריים מרוכבים הוא בעל החשיבות הרבה ביותר. חומרים ננומטריים מרוכבים מציעים יתרונות טכנולוגיים וכלכליים לכמעט כל ענפי התעשייה, ובהם תעופה וחלל, רכב, אלקטרוניקה, ביוטכנולוגיה, תרופות ורפואה. יתרון גדול נוסף הוא ידידותיותם לסביבה.
אולטרסאונד רב־עוצמה משפר את ההרטבה ואת ההומוגניזציה בין המטריצה לחלקיקים באמצעות ערבוב ופיזור אינטנסיביים – הנוצרים על ידי קוויטציה אולטרסונית. מכיוון שסוניקציה היא שיטת הפיזור הנפוצה ביותר והמוצלחת ביותר כשמדובר בננו־חומרים, המערכות האולטרסוניות של Hielscher מותקנות במעבדות, במתקני פיילוט ובמתקני ייצור ברחבי העולם.