הכנה קולית של גומי מחוזק
- גומי מחוזק מראה חוזק מתיחה גבוה יותר, התארכות, עמידות בפני שחיקה ויציבות הזדקנות טובה יותר.
- חומרי מילוי כגון פחמן שחור (למשל CNTs, MWNTs), גרפן או סיליקה חייבים להיות מפוזרים בצורה הומוגנית במטריצה כדי לספק את תכונות החומר הרצויות.
- אולטרסאונד עוצמתי מעניק איכות הפצה מעולה של ננו-חלקיקים חד-מפוזרים בעלי תכונות חיזוק גבוהות.
פיזור קולי
אולטרה-סוניקציה משמשת באופן נרחב לפיזור ננו-חומרים כגון ננו-חלקיקים חד-מפוזרים וננו-צינורות, שכן אולטרסאונד משפר מאוד את ההפרדה והפונקציונליות של החלקיקים והצינורות.
ציוד פיזור קולי יוצר קוויטציה וכוחות גזירה גבוהים כדי לשבש, לשקש, להתיר ולפזר ננו-חלקיקים וננו-צינורות. ניתן לכוונן ולשלוט במדויק בעוצמת הסוניקציה כך שפרמטרי העיבוד העל-קוליים יותאמו בצורה מושלמת, תוך התחשבות בריכוז, אגרגציה ויישור/שזירה של חומר הננו. בכך, ניתן לעבד ננו-חומרים בצורה אופטימלית בהתאם לדרישות החומר הספציפי שלהם. תנאי פיזור אופטימליים עקב פרמטרים של תהליך על-קולי בהתאמה אישית יוצרים ננו-מרוכב גומי סופי באיכות גבוהה עם מאפייני חיזוק מעולים של ננו-תוספים וחומרי מילוי.
בשל איכות הפיזור המעולה של אולטרסאונד ובכך הושגה פיזור אחיד, עומס מילוי נמוך מאוד מספיק כדי לקבל מאפייני חומר מצוינים.
מערכת קולית תעשייתית
גומי מחוזק בשחור פחמן אולטרה-סאונד
פחמן שחור הוא אחד מחומרי המילוי החשובים ביותר בגומי, במיוחד עבור צמיגים, כדי להעניק לחומר הגומי עמידות בפני שחיקה וחוזק מתיחה. חלקיקי פחמן שחור נוטים מאוד ליצור אגרגטים שקשה לפזר בצורה הומוגנית. שחור פחמן משמש בדרך כלל בצבעים, אמייל, דיו להדפסה, צבעי ניילון ופלסטיק, תערובות לטקס, תערובות שעווה, ציפויי פוטו ועוד.
פיזור קולי מאפשר deagglomerate ולמזג באופן אחיד עם monodispersity גבוהה מאוד של החלקיקים.
לחץ כאן כדי ללמוד עוד על פיזור קולי עבור מרוכבים מחוזקים!
גומי מחוזק CNT / MWCNT אולטרה-סאונד
הומוגנייזרים קוליים הם מערכות פיזור חזקות אשר ניתן לשלוט במדויק ולהתאים לדרישות התהליך והחומר. הבקרה המדויקת של פרמטרי התהליך העל-קולי חשובה במיוחד לפיזור ננו-צינוריות כגון MWNTs או SWNTs מכיוון שיש להתיר את הננו-צינוריות לצינורות בודדים מבלי להיפגע (למשל מספריים). ננו-צינוריות שלא ניזוקו מציעות יחס גובה-רוחב גבוה (עד 132,000,000:1) כך שהן מעניקות חוזק וקשיחות יוצאי דופן כאשר הן מנוסחות לתרכובת. סוניקציה עוצמתית ומכווננת במדויק מתגברת על כוחות ואן דר ואלס ומפזרת ומשחררת את הננו-צינוריות, והתוצאה היא חומר גומי בעל ביצועים גבוהים עם חוזק מתיחה יוצא דופן ומודולוס אלסטי.
בנוסף פונקציונליות קולית משמש לשינוי ננו-צינוריות פחמן על מנת להשיג תכונות רצויות שניתן להשתמש בהן ביישומים רבים.
אולטרסאונד לפיזור מתמשך של ננו-חומרים, פחמן שחור או פחם פעיל.
גומי מחוזק בננו-סיליקה אולטרה-סאונד
מפיצים על-קוליים מספקים פיזור חלקיקים אחיד ביותר של סיליקה (SiO)2) ננו-חלקיקים בתמיסות פולימר גומי. סיליקה (SiO2) ננו-חלקיקים חייבים להיות מפוזרים בצורה הומוגנית כחלקיקים חד-מפוזרים בסטירן-בוטאדיאן פולימרי ובגומיות אחרות. ננו-SiO מונו-מפוזר2 פועל כחומרי חיזוק, המשפרים את הקשיחות, הכוח, ההתארכות, הכיפוף וביצועי האנטי אייג'ינג, באופן משמעותי. עבור ננו-חלקיקים חל: ככל שגודל החלקיקים קטן יותר, כך שטח הפנים הספציפי של החלקיקים גדול יותר. עם יחס שטח פנים/נפח (S/V) גבוה יותר, מתקבלות השפעות מבניות וחיזוק טובות יותר, המגדילות את חוזק המתיחה והקשיות של מוצרי גומי.
פיזור קולי של חלקיקי ננו סיליקה מאפשר לשלוט בפרמטרים של התהליך בדיוק כך שמתקבלת מורפולוגיה כדורית, גודל חלקיקים מותאם במדויק והתפלגות גודל צרה מאוד.
סיליקה מפוזרת באולטרסאונד מביאה לביצועים החומריים הגבוהים ביותר של גומי מחוזק.
לחץ כאן כדי ללמוד עוד על פיזור קולי של SiO2!
פיזור אולטרה-סאונד של תוספים מחזקים
סוניקציה הוכחה כמפזרת חומרים ננו-חלקיקיים רבים אחרים כדי לשפר את המודולוס, חוזק המתיחה ותכונות העייפות של תרכובות גומי. מכיוון שגודל החלקיקים, צורתם, שטח הפנים ופעילות פני השטח של חומרי מילוי ותוספים מחזקים חיוניים לביצועיהם, מפיצים על-קוליים חזקים ואמינים הם אחת השיטות הנפוצות ביותר לגיבוש חלקיקים בגודל מיקרו וננו למוצרי גומי.
תוספים וחומרי מילוי אופייניים, המשולבים על ידי סוניקציה כחלקיקים מפוזרים באופן אחיד או חד-פעורים במטריצות גומי, הם סידן פחמתי, חימר קאולין, סיליקה מזויפת, סיליקה מושקעת, תחמוצת גרפיט, גרפן, נציץ, טלק, בריט, וולאסטוניט, סיליקטים מושקעים, סיליקה מזויפת ודיאטומיט.
כאשר TiO מתפקד חומצה אולאית2 ננו-חלקיקים מפוזרים באולטרסאונד בגומי סטירן-בוטאדיאן, אפילו כמות קטנה מאוד של ה-SiO האולאי-סיו2 התוצאה משתפרת משמעותית במודולוס, חוזק המתיחה ותכונות העייפות ומתפקדת כחומר מגן מפני התפרקות פוטו ותרמית.
- אלומינה טריהידראט (Al2O3) מתווסף כמעכב בעירה, לשיפור המוליכות התרמית, ולמעקב ועמידות בפני שחיקה.
- חומרי מילוי של תחמוצת אבץ (ZnO) מגבירים את ההיתר היחסי כמו גם את המוליכות התרמית.
- טיטניום דו-חמצני (TiO2) משפר מוליכות תרמית וחשמלית.
- סידן פחמתי (CaCO3) משמש כתוסף בשל תכונותיו המכניות, הריאולוגיות ומעכבות הבעירה.
- בריום טיטנאט (BaTiO3) מגביר את היציבות התרמית.
- גרפן ותחמוצת גרפן (GO) מעניקים מאפיינים מכניים, חשמליים, תרמיים ואופטיים מעולים.
- ננו-צינוריות פחמן (CNT) משפרים תכונות מכניות כגון חוזק מתיחה, מוליכות חשמלית ותרמית באופן משמעותי.
- ננו-צינוריות פחמן מרובות דפנות (MWNTs) משפרות את המודולוס וחוזק התשואה של יאנג. לדוגמה, רק 1 wt.% של MWNTs לתוך אפוקסי לגרום מודולוס מוגבר של יאנג ואת כוח התשואה בהתאמה, 100% ו 200%, בהשוואה למטריצה טהורה.
- ננו-צינוריות פחמן בעלות דופן אחת (SWNTs) משפרים תכונות מכניות ומוליכות תרמית.
- ננו-סיבי פחמן (CNF) מוסיפים חוזק, עמידות בחום ועמידות.
- ננו-חלקיקים מתכתיים כגון ניקל, ברזל, נחושת, אבץ, אלומיניום ו כסף מתווספים כדי לשפר את המוליכות החשמלית והתרמית.
- ננו-חומרים אורגניים כגון מונטמורילונייט לשפר את התכונות המכניות ומעכבי בעירה.
מערכות פיזור קולי
Hielscher Ultrasonics מציעה מגוון מוצרים רחב של ציוד קולי – ממערכות ספסל קטנות יותר לבדיקת היתכנות ועד למערכות כבדות יחידות אולטרסאונד תעשייתיות עם עד 16kW ליחידה. עוצמה, אמינות, יכולת שליטה מדויקת כמו גם חוסנם הופכים את מערכות הפיזור העל-קוליות של היילשר ל “סוס עבודה” בקו הייצור של פורמולציות מיקרון וננו-חלקיקים. האולטרסאונד שלנו מסוגל לעבד פיזורים מימיים ומבוססי ממסים עד צמיגות גבוהה (עד 10,000 CP) בקלות. סונוטרודים שונים (קרניים קוליות), מאיצים (מעצימים/מקטינים), גיאומטריות תאי זרימה ואביזרים נוספים מאפשרים התאמה אופטימלית של המפזר העל-קולי למוצר ולדרישות התהליך שלו.
Hielscher Ultrasonics’ מעבדים קוליים תעשייתיים יכולים לספק מאוד אמפליטודות גבוהות. ניתן להפעיל אמפליטודות של עד 200μm ברציפות בפעולה 24/7 באופן מיידי. עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים. החוסן של הציוד הקולי של Hielscher מאפשר 24/7 פעולה ב חובה כבדה ובסביבות תובעניות. מפיצים קוליים של Hielscher מותקנים ברחבי העולם לייצור מסחרי בקנה מידה גדול.
מערך על-קולי מותאם אישית לפיזור ננו
| נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
| 00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000 |
| נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
| נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
ספרות / מקורות
- Bitenieks, Juris; Meria, Remo Merijs; Zicans, Janis; Maksimovs, Roberts; Vasilec, Cornelia; Musteata, Valentina Elena (2012): Styrene–acrylate/carbon nanotube nanocomposites: mechanical, thermal, and electrical properties. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 2012, 61, 3, 172–177.
- Kaboorani, Alireza; Riedl, Bernard; Blanchet, Pierre (2013): Ultrasonication Technique: A Method for Dispersing Nanoclay in Wood Adhesives. Journal of Nanomaterials 2013.
- Momen, G.; Farzaneh, M. (2011): Survey of Micro/Nano Filler Use to improve Silicone Rubber For Outdoor Insulators. Review of Advanced Materials Science 27, 2011. 1-3.
- Sharma, S.D.; Singh, S. (2013): Synthesis and Characterization of Highly Effective Nano Sulfated Zirconia over Silica: Core-Shell Catalyst by Ultrasonic Irradiation. American Journal of Chemistry 2013, 3(4): 96-104.
עובדות שכדאי לדעת
גומי סינתטי
גומי סינתטי הוא כל אלסטומר מלאכותי. גומי סינתטי הוא בעיקר פולימרים המסונתזים מתוצרי לוואי של נפט ומיוצרים, כמו פולימרים אחרים, ממונומרים שונים מבוססי נפט. הגומי הסינתטי הנפוץ ביותר הוא גומי סטירן-בוטאדיאן (SBR) המופק מקופולימריזציה של סטירן ו-1,3-בוטאדיאן. גומי סינתטי אחר מיוצר מאיזופרן (2-מתיל-1,3-בוטאדיאן), כלורופרן (2-כלורו-1,3-בוטאדיאן) ואיזובוטילן (מתילפרופן) עם אחוז קטן של איזופרן לקישור צולב. מונומרים אלה ואחרים יכולים להיות מעורבבים בפרופורציות שונות כדי להיות קופולימריים כדי לייצר מוצרים עם מגוון של תכונות פיזיקליות, מכניות וכימיות. מונומרים ניתן לייצר טהור תוספת של זיהומים או תוספים ניתן לשלוט על ידי עיצוב כדי לתת תכונות אופטימליות. פילמור של מונומרים טהורים יכול להיות נשלט טוב יותר כדי לתת יחס רצוי של cis וקשרים כפולים טרנס.
גומי סינתטי, כמו גומי טבעי, נמצא בשימוש נרחב בתעשיית הרכב עבור צמיגים, פרופילי דלתות וחלונות, צינורות, חגורות, מאט וריצוף.
גומי טבעי
גומי טבעי ידוע גם בשם גומי הודו או caoutchouc. גומי טבעי מסווג כאלסטומר ומורכב בעיקר מפולימרים של התרכובת האורגנית poly-cis-isoprene ומים. הוא מכיל עקבות של זיהומים כמו חלבון, לכלוך וכו '. גומי טבעי, המופק מלטקס מעץ הגומי הוואה ברזיליאנסיסמראה תכונות מכניות מצוינות., עם זאת, בהשוואה לגומיות סינתטיות, לגומי טבעי יש ביצועי חומר נמוכים יותר במיוחד בכל הנוגע ליציבותו התרמית והתאמתו למוצרי נפט. לגומי טבעי יש מגוון רחב של יישומים, לבד או בשילוב עם חומרים אחרים. לרוב, משתמשים בו בשל יחס המתיחה הגדול שלו, העמידות הגבוהה שלו והאטימות הגבוהה מאוד שלו למים. נקודת ההתכה של גומי היא בערך 180°C (356°F).
הטבלה הבאה נותנת סקירה כללית על סוגי הגומי השונים:
| ISO | שם טכני | שם נפוץ |
|---|---|---|
| ACM | גומי פוליאקרילט | |
| א.א.מ | אתילן-אקרילט גומי | |
| Au | פוליאסטר אורתאן | |
| ביר | ברומו איזובוטילן איזופרן | ברומובוטיל |
| BR | פוליבוטאדיאן | בונה CB |
| אנונימי | כלורו איזובוטילן איזופרן | כלורובוטיל, בוטיל |
| CR | פוליכלורופרן | כלורופרן, ניאופרן |
| CSM | כלורוסולפון פוליאתילן | הייפלון |
| אקו | אפיכלורוהידרין | ECO, Epichlorohydrin, Epichlore, Epichloridrine, Herclor, Hydrin |
| מיני-אלבום | אתילן פרופילן | |
| EPDM | אתילן פרופילן דיין מונומר | EPDM, נורדל |
| האיחוד האירופי | פוליאתר אורתאן | |
| FFKM | גומי פרפלואורוקרבון | Kalrez, Chemraz |
| FKM | פחמימנים מופלרים | Viton, Fluorel |
| FMQ | סיליקון פלואורו | FMQ, גומי סיליקון |
| FPM | גומי פלואורוקרבון | |
| HNBR | ניטריל בוטאדיאן מוקשה | HNBR |
| IR | פוליאיזופרן | (סינתטי) גומי טבעי |
| IIR | איזובוטילן איזופרן בוטיל | בוטיל |
| NBR | אקרילוניטריל בוטאדיאן | NBR, ניטריל, פרבונאן, בונה-ן |
| פו | פוליאוריתן | PU, פוליאוריתן |
| אס.בי.אר | סטירן בוטאדיאן | SBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE |
| סבס | סטירן אתילן בוטילן סטירן קופולימר | גומי SEBS |
| סי | פוליסילוקסאן | גומי סיליקון |
| VMQ | ויניל מתיל סיליקון | גומי סיליקון |
| XNBR | אקרילוניטריל בוטאדיאן מונומר קרבוקסי | XNBR, ניטריל קרבוקסילציה |
| XSBR | Styrene Butadiene קרבוקסי מונומר | |
| YBPO | פוליאתר-אסטר תרמופלסטי | |
| YSBR | קופולימר בלוק בוטאדיאן סטירן | |
| YXSBR | קופולימר בלוק קרבוקסי Styrene Butadiene |
אס.בי.אר
גומי סטירן-בוטאדיאן או גומי סטירן-בוטאדיאן (SBR) מתאר גומי סינתטי, שמקורו בסטירן ובוטאדין. סטירן-בוטאדיאן מחוזק המאופיין בעמידות גבוהה בפני שחיקה ובתכונות אנטי אייג'ינג טובות. היחס בין סטירן לבוטאדיאן קובע את תכונות הפולימר: על ידי תכולת סטירן גבוהה, הגומיות הופכות קשות יותר ופחות גומי.
המגבלות של SBR לא מחוזק נגרמות על ידי חוזק נמוך ללא חיזוק, עמידות נמוכה, חוזק דמעות נמוך (במיוחד בטמפרטורות גבוהות) ומגע לקוי. לכן, חומרי חיזוק ומילוי נדרשים כדי לשפר את תכונות SBR. לדוגמה, חומרי מילוי שחורים מפחמן משמשים לחוזק ועמידות בפני שחיקה בכבדות.
סטירן
סטירן (C8H8) ידוע במונחים שונים כגון אתנילבנזן, ויניל בנזן, פנילאתן, פנילאתילן, צינאמן, סטרול, דיארקס HF 77, סטירולן וסטירופול. זוהי תרכובת אורגנית עם הנוסחה הכימית C6H5CH=CH2. סטירן הוא קודמן של פוליסטירן וכמה קופולימרים.
זהו נגזרת בנזן ומופיע כנוזל שמנוני חסר צבע, המתאדה בקלות. לסטירן יש ריח מתוק, שהופך בריכוזים גבוהים בריח פחות נעים.
בנוכחות קבוצת ויניל, סטירן יוצר פולימר. פולימרים מבוססי סטירן מיוצרים באופן מסחרי להשגת מוצרים כגון פוליסטירן, ABS, גומי סטירן-בוטאדיאן (SBR), לטקס סטירן-בוטאדיאן, SIS (סטירן-איזופרן-סטירן), S-EB-S (סטירן-אתילן/בוטילן-סטירן), סטירן-דיווינילבנזן (S-DVB), שרף סטירן-אקרילוניטריל (SAN) ופוליאסטרים בלתי רוויים המשמשים בשרפים ובתרכובות תרמוסטיות. חומרים אלה הם רכיבים חשובים לייצור גומי, פלסטיק, בידוד, פיברגלס, צינורות, חלקי רכב וסירות, מיכלי מזון וגב שטיחים.
יישומי גומי
לגומי תכונות חומר רבות כגון חוזק, עמיד לאורך זמן, עמידות במים ועמידות בחום. תכונות אלה הופכות את הגומי לרב-תכליתי מאוד, כך שהוא משמש בתעשיות רבות. השימוש העיקרי בגומי הוא בתעשיית הרכב, בעיקר לייצור צמיגים. מאפיינים נוספים כמו הלא חלקלק, הרכות, העמידות והעמידות שלו הופכים את הגומי לחומר מרוכב נפוץ מאוד המשמש לייצור נעליים, ריצוף, ציוד רפואי ובריאותי, מוצרים לבית, צעצועים, מוצרי ספורט ורבים ממוצרי הגומי האחרים.
ננו-תוספים וחומרי מילוי
חומרי מילוי ותוספים בגודל ננומטרי בגומיות פועלים כחומרי חיזוק והגנה לשיפור חוזק המתיחה, עמידות בפני שחיקה, עמידות בפני דמעות, היסטרזיס ושימור מפני התפרקות האור והחום של הגומי.
סיליקה
סיליקה (SiO2צורן דו-חמצני) משמש בצורות רבות כגון סיליקה אמורפית, כגון סיליקה מזויפת, אדי סיליקה, סיליקה מושקעת לשיפור מאפייני החומר לגבי תכונות מכניות דינמיות, עמידות בפני הזדקנות תרמית ומורפולוגיה., תרכובות מלאות סיליקה מראות צמיגות וצפיפות צולבת עולות בהתאמה לתכולת מילוי הולכת וגדלה. הקשיות, המודולוס, חוזק המתיחה ומאפייני השחיקה שופרו בהדרגה על ידי הגדלת כמות מילוי הסיליקה.
פחמן שחור
פחמן שחור הוא סוג של פחמן פארא-קריסטליני עם קומפלקסים של חמצן כימיסורדי (כגון קרבוקסילי, קווינוני, לקטוני, קבוצות פנוליות ואחרים) המחוברים לפני השטח שלו. קבוצות חמצן פני שטח אלה מקובצות בדרך כלל תחת המונח “מתחמים נדיפים”. בשל תוכן נדיף זה, פחמן שחור הוא חומר לא מוליך. עם קומפלקסים פחמן-חמצן, חלקיקים שחורים פחמן מתפקדים קל יותר להתפזר.
היחס הגבוה בין שטח הפנים לנפח של פחמן שחור הופך אותו לחומר מילוי מחזק נפוץ. כמעט כל מוצרי הגומי, שעבורם חוזק מתיחה ועמידות בפני שחיקה חיוניים, משתמשים בשחור פחמן. סיליקה מואצת או מזויפת משמשת כתחליף לפחמן שחור, כאשר נדרש חיזוק של גומי אך יש להימנע מהצבע השחור. עם זאת, חומרי מילוי מבוססי סיליקה צוברים נתח שוק גם בצמיגי רכב, מכיוון שהשימוש במילוי סיליקה גורם לאובדן גלגול נמוך יותר בהשוואה לצמיגים מלאים בשחור פחמן.
הטבלה הבאה נותנת סקירה כללית על סוגי פחמן-שחור המשמשים בצמיגים
| שם | קיצור. | אסטם | גודל חלקיק nm | חוזק מתיחה MPa | שחיקה מעבדתית יחסית | שחיקה יחסית של בגדי כביש |
|---|---|---|---|---|---|---|
| תנור שחיקה סופר | SAF | N110 | 20–25 | 25.2 | 1.35 | 1.25 |
| SAF בינוני | ISAF | N220 | 24–33 | 23.1 | 1.25 | 1.15 |
| תנור שחיקה גבוהה | האף | N330 | 28–36 | 22.4 | 1.00 | 1.00 |
| ערוץ עיבוד קל | EPC | N300 | 30–35 | 21.7 | 0.80 | 0.90 |
| תנור הבלטה מהיר | FEF | N550 | 39–55 | 18.2 | 0.64 | 0.72 |
| תנור מודולוס גבוה | HMF | N660 | 49–73 | 16.1 | 0.56 | 0.66 |
| תנור חצי מחוזק | SRF | N770 | 70–96 | 14.7 | 0.48 | 0.60 |
| תרמי משובח | רגל | N880 | 180–200 | 12.6 | 0.22 | – |
| תרמי בינוני | הר | N990 | 250–350 | 9.8 | 0.18 | – |
תחמוצת גרפן
תחמוצת גרפן המפוזרת ב- SBR גורמת לחוזק מתיחה ודמעות גבוה, כמו גם בעמידות יוצאת דופן בפני שחיקה והתנגדות נמוכה לגלגול, שהן תכונות חומר חשובות לייצור הצמיגים. SBR מחוזק בגרפן אוקסיד-סיליקה מציע חלופה תחרותית לייצור צמיגים ידידותיים לסביבה, כמו גם לייצור תרכובות גומי בעלות ביצועים גבוהים. גרפן ותחמוצת גרפן ניתנים לקילוף בהצלחה, באמינות ובקלות תחת סוניקציה. לחץ כאן כדי ללמוד עוד על ייצור קולי של גרפן!