अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा हाइड्रोजेल का लाभप्रद उत्पादन

सोनिकेशन उच्च कार्यक्षमता वाले हाइड्रोजेल तैयार करने की एक अत्यंत प्रभावी, विश्वसनीय और सरल तकनीक है। ये हाइड्रोजेल अवशोषण क्षमता, श्यानप्रत्यास्थता, यांत्रिक सामर्थ्य, संपीडन मापांक और स्वतः मरम्मत की क्षमताओं जैसे उत्कृष्ट पदार्थ गुण प्रदान करते हैं।

हाइड्रोजेल उत्पादन के लिए अल्ट्रासोनिक बहुलकीकरण और परिक्षेपण

हाइड्रोजेल जलरागी, त्रिआयामी बहुलकीय जाल होते हैं, जो बड़ी मात्रा में पानी या तरल पदार्थों को अवशोषित कर सकते हैं। हाइड्रोजेल असाधारण स्फीतन क्षमता प्रदर्शित करते हैं। हाइड्रोजेल के सामान्य निर्माण घटकों में पॉलीविनाइल अल्कोहल, पॉलीएथिलीन ग्लाइकोल, सोडियम पॉलीएक्रिलेट, एक्रिलेट बहुलक, कार्बोमर, बड़ी संख्या में जलरागी समूहों वाले पॉलीसैकराइड या पॉलीपेप्टाइड तथा कोलेजन, जिलेटिन और फाइब्रिन जैसे प्राकृतिक प्रोटीन शामिल हैं।
तथाकथित संकर हाइड्रोजेल विभिन्न रासायनिक, कार्यात्मक और आकारिकीय रूप से भिन्न पदार्थों से बने होते हैं, जैसे प्रोटीन, पेप्टाइड या नैनो- / सूक्ष्मसंरचनाएँ।
कार्बन नैनोट्यूब (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), सेलुलोज नैनोक्रिस्टल, काइटिन नैनोफाइबर, टाइटेनियम डाइऑक्साइड, चाँदी के नैनोकण, प्रोटीन और अन्य माइक्रोन-स्तरीय या नैनोसंरचनाओं जैसे नैनोपदार्थों को हाइड्रोजेल के बहुलकीय मैट्रिक्स में समरूप रूप से वितरित करने के लिए अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण का व्यापक रूप से एक अत्यंत कुशल और विश्वसनीय तकनीक के रूप में उपयोग किया जाता है। इससे सोनिकेशन असाधारण गुणों वाले उच्च कार्यक्षमता के हाइड्रोजेल बनाने का एक प्रमुख साधन बन जाता है।

शोध क्या दर्शाता है – अल्ट्रासोनिक विधि से हाइड्रोजेल तैयार करना

पहला, अल्ट्रासोनिकेशन हाइड्रोजेल निर्माण के दौरान बहुलकीकरण और क्रॉस-लिंकिंग अभिक्रियाओं को बढ़ावा देता है।
दूसरा, अल्ट्रासोनिकेशन हाइड्रोजेल और नैनोकम्पोज़िट हाइड्रोजेल के उत्पादन के लिए एक विश्वसनीय और प्रभावी परिक्षेपण तकनीक सिद्ध हुआ है।

हाइड्रोजेल की अल्ट्रासोनिक क्रॉस-लिंकिंग और बहुलकीकरण

अल्ट्रासोनिकेशन मुक्त मूलकों के निर्माण के माध्यम से हाइड्रोजेल संश्लेषण के दौरान बहुलकीय जाल बनने में सहायता करता है। तीव्र अल्ट्रासाउंड तरंगें ध्वनिक कैविटेशन उत्पन्न करती हैं, जिससे उच्च अपरूपण बल, आणविक अपरूपण और मुक्त मूलकों का निर्माण होता है।

Cass et al. (2010) ने कई एक्रिलिक हाइड्रोजेल तैयार किए: “जल में घुलनशील एकलकों और मैक्रोएकलकों के अल्ट्रासोनिक बहुलकीकरण द्वारा एक्रिलिक हाइड्रोजेल तैयार किए गए। 37°C पर एक खुले तंत्र में ग्लिसरॉल, सॉर्बिटॉल या ग्लूकोज़ योजकों का उपयोग करते हुए श्यान जलीय एकलक विलयनों में अभिक्रिया आरंभ करने वाले मूलक उत्पन्न करने के लिए अल्ट्रासाउंड का उपयोग किया गया। जल में घुलनशील योजक हाइड्रोजेल उत्पादन के लिए आवश्यक थे, जिनमें ग्लिसरॉल सबसे प्रभावी था। हाइड्रोजेल 2-हाइड्रॉक्सीएथिल मेथैक्रिलेट, पॉली(एथिलीन ग्लाइकोल) डाइमेथैक्रिलेट, डेक्सट्रान मेथैक्रिलेट, एक्रिलिक अम्ल/एथिलीन ग्लाइकोल डाइमेथैक्रिलेट और एक्रिलामाइड/बिस-एक्रिलामाइड एकलकों से तैयार किए गए।” [Cass et al. 2010] प्रोब अल्ट्रासोनिकेटर का उपयोग करके अल्ट्रासाउंड का अनुप्रयोग जल में घुलनशील विनाइल एकलकों के बहुलकीकरण और उसके बाद हाइड्रोजेल तैयार करने की एक प्रभावी विधि पाया गया। अल्ट्रासोनिक विधि से आरंभ किया गया बहुलकीकरण किसी रासायनिक आरंभक की अनुपस्थिति में तेज़ी से होता है।
अध्ययन की पूरी प्रायोगिक कार्यविधि यहाँ देखें!
 

धूमित सिलिका का अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण: Hielscher अल्ट्रासोनिक समांगीकारक UP400S सिलिका पाउडर को तीव्रता और कुशलता से अलग-अलग नैनोकणों के रूप में परिक्षेपित करता है।

नैनोकम्पोज़िट हाइड्रोजेल और नैनोजेल के अल्ट्रासोनिक संश्लेषण के बारे में और पढ़ें!

अल्ट्रासोनिकेशन सभी प्रकार के बहुलकों और जैवबहुलकों के साथ संगत है और नैनोकण, नैनोक्रिस्टल या नैनोफाइबर जैसे नैनोसंरचित पदार्थों से संकर हाइड्रोजेल को प्रबलित करने की सुविधा देता है। विभिन्न नैनोपदार्थों से हाइड्रोजेल को प्रबलित करने से नैनोकम्पोज़िट हाइड्रोजेल के भौतिक-रासायनिक और प्रवाह-यांत्रिक गुणों को संशोधित और नियंत्रित किया जा सकता है, क्योंकि प्राप्त पदार्थ के गुणों का प्रमुख निर्धारक उसकी सूक्ष्मसंरचनाएँ होती हैं।

सोनिकेशन का उपयोग करके Poly(acrylamide-co-itaconic acid) – MWCNT हाइड्रोजेल का निर्माण

Mohammadinezhada et al. (2018) ने poly(acrylamide-co-itaconic acid) और बहुभित्तीय कार्बन नैनोट्यूब (MWCNTs) युक्त एक अतिअवशोषक हाइड्रोजेल समिश्र का सफलतापूर्वक उत्पादन किया। अल्ट्रासोनिकेशन के लिए प्रयुक्त Hielscher अल्ट्रासोनिक उपकरण था UP200S। MWCNTs का अनुपात बढ़ने के साथ हाइड्रोजेल की स्थिरता बढ़ी, जिसका कारण MWCNTs की जलविरागी प्रकृति और क्रॉसलिंकर के घनत्व में वृद्धि हो सकता है। MWCNT (10 wt%) की उपस्थिति में P(AAm-co-IA) हाइड्रोजेल की जल धारण क्षमता (WRC) भी बढ़ी। इस अध्ययन में, बहुलक की सतह पर कार्बन नैनोट्यूब के एकसमान वितरण के संबंध में अल्ट्रासोनिकेशन के प्रभावों को श्रेष्ठ माना गया। MWCNTs अक्षुण्ण रहे और बहुलकीय संरचना में कोई व्यवधान नहीं हुआ। इसके अतिरिक्त, प्राप्त नैनोसमिश्र की मजबूती, उसकी जल धारण क्षमता और Pb (II) जैसे अन्य घुलनशील पदार्थों का अवशोषण बढ़ा। सोनिकेशन ने आरंभक को विखंडित किया और बढ़ते तापमान के अंतर्गत बहुलक शृंखलाओं में MWCNTs को एक उत्कृष्ट भराव के रूप में परिक्षेपित किया।
शोधकर्ताओं का निष्कर्ष है कि ये “अभिक्रिया परिस्थितियाँ पारंपरिक विधियों से प्राप्त नहीं की जा सकतीं, और आधार पदार्थ में कणों की समरूपता तथा अच्छा परिक्षेपण प्राप्त नहीं किया जा सकता। इसके अलावा, सोनिकेशन प्रक्रिया नैनोकणों को अलग-अलग कणों में पृथक करती है, जबकि हिलाने से ऐसा नहीं किया जा सकता। आकार में कमी का एक अन्य तंत्र हाइड्रोजन बंधन जैसे द्वितीयक बंधों पर शक्तिशाली ध्वनिक तरंगों का प्रभाव है। यह विकिरण कणों के H-बंधन को तोड़ता है और इसके बाद एकत्रित कणों को अलग करता है तथा -OH जैसे मुक्त अधिशोषक समूहों की संख्या और उनकी सुलभता बढ़ाता है। इस प्रकार, यह महत्वपूर्ण घटना सोनिकेशन प्रक्रिया को साहित्य में प्रयुक्त चुंबकीय हिलाने जैसी अन्य विधियों से श्रेष्ठ बनाती है।” [Mohammadinezhada et al., 2018]

हाइड्रोजेल संश्लेषण के लिए उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिकेटर

Hielscher Ultrasonics हाइड्रोजेल के संश्लेषण के लिए उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक उपकरण बनाता है। अनुसंधान एवं विकास और पायलट कार्यों के लिए छोटे तथा मध्यम आकार के अल्ट्रासोनिकेटरों से लेकर सतत मोड में व्यावसायिक हाइड्रोजेल निर्माण के लिए औद्योगिक प्रणालियों तक, Hielscher Ultrasonics आपकी प्रक्रिया संबंधी आवश्यकताओं को पूरा करता है।
औद्योगिक स्तर के अल्ट्रासोनिकेटर बहुत उच्च आयाम प्रदान कर सकते हैं, जो विश्वसनीय क्रॉसलिंकिंग और बहुलकीकरण अभिक्रियाओं तथा नैनोकणों के एकसमान परिक्षेपण को संभव बनाते हैं। 200µm तक के आयामों पर 24/7/365 संचालन में आसानी से लगातार काम किया जा सकता है। इससे भी उच्च आयामों के लिए, अनुकूलित अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं।

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नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:

Hielscher SonoStation प्रवाह सेल रिएक्टर का उपयोग करके मध्यम आकार के बैचों का पराश्रव्य उपचार आसान बनाता है। इस सघन SonoStation में एक 38 लीटर का विलोडित टैंक और एक समायोज्य प्रोग्रेसिव कैविटी पंप होता है, जो एक या दो पराश्रव्य प्रवाह सेल रिएक्टरों में प्रति मिनट 3 लीटर तक द्रव पहुँचा सकता है।