Povoljna proizvodnja hidrogelova primjenom ultrazvuka
Sonikacija je vrlo učinkovita, pouzdana i jednostavna tehnika za pripremu hidrogelova visokih performansi. Ti hidrogelovi imaju izvrsna svojstva materijala, kao što su kapacitet apsorpcije, viskoelastičnost, mehanička čvrstoća, modul stlačivosti i sposobnost samozacjeljivanja.
Ultrazvučna polimerizacija i dispergiranje za proizvodnju hidrogelova
Hidrogelovi su hidrofilne, trodimenzionalne polimerne mreže koje mogu apsorbirati velike količine vode ili tekućina. Hidrogelovi pokazuju iznimnu sposobnost bubrenja. Uobičajene sastavnice hidrogelova uključuju polivinilni alkohol, polietilen glikol, natrijev poliakrilat, akrilatne polimere, karbomere, polisaharide ili polipeptide s velikim brojem hidrofilnih skupina te prirodne proteine poput kolagena, želatine i fibrina.
Takozvani hibridni hidrogelovi sastoje se od različitih materijala koji se razlikuju po kemijskim, funkcionalnim i morfološkim svojstvima, poput proteina, peptida ili nano- / mikrostruktura.
Ultrazvučno dispergiranje široko se primjenjuje kao vrlo učinkovita i pouzdana tehnika za homogeno raspoređivanje nanomaterijala poput ugljikovih nanocijevi (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), nanokristala celuloze, hitinskih nanovlakana, titanijeva dioksida, nanočestica srebra, proteina i drugih mikrostruktura ili nanostruktura u polimernoj matrici hidrogelova. Time sonikacija postaje jedan od glavnih alata za proizvodnju hidrogelova visokih performansi s iznimnim svojstvima.
Ultrazvučni uređaj UIP1000hdT sa staklenim reaktorom za sintezu hidrogelova
Što pokazuju istraživanja – ultrazvučna priprema hidrogelova
Prvo, primjena ultrazvuka potiče reakcije polimerizacije i umrežavanja tijekom nastanka hidrogelova.
Drugo, primjena ultrazvuka pokazala se pouzdanom i učinkovitom tehnikom dispergiranja za proizvodnju hidrogelova i nanokompozitnih hidrogelova.
Ultrazvučno umrežavanje i polimerizacija hidrogelova
Primjena ultrazvuka pospješuje nastanak polimernih mreža tijekom sinteze hidrogelova stvaranjem slobodnih radikala. Intenzivni ultrazvučni valovi stvaraju akustičnu kavitaciju koja uzrokuje velike smične sile, smicanje molekula i nastanak slobodnih radikala.
Cass i sur. (2010) pripremili su nekoliko „akrilnih hidrogelova ultrazvučnom polimerizacijom monomera i makromonomera topljivih u vodi. Ultrazvuk je upotrijebljen za stvaranje inicijacijskih radikala u viskoznim vodenim otopinama monomera uz dodatak glicerola, sorbitola ili glukoze u otvorenom sustavu pri 37°C. Dodaci topljivi u vodi bili su nužni za proizvodnju hidrogelova, pri čemu je glicerol bio najučinkovitiji. Hidrogelovi su pripremljeni od monomera 2-hidroksietil metakrilata, poli(etilen glikol) dimetakrilata, dekstran metakrilata, akrilne kiseline/etilen glikol dimetakrilata i akrilamida/bis-akrilamida.” [Cass et al. 2010] Utvrđeno je da je primjena ultrazvuka s pomoću ultrazvučnog uređaja sa sondom učinkovita metoda za polimerizaciju vinilnih monomera topljivih u vodi i naknadnu pripremu hidrogelova. Ultrazvučno inicirana polimerizacija odvija se brzo bez prisutnosti kemijskog inicijatora.
Cjelovit protokol istraživanja pronađite ovdje!
- nanočestica, npr. TiO2
- ugljikovih nanocijevi (CNTs)
- nanokristala celuloze (CNCs)
- nanofibrila celuloze
- guma, npr. ksantana, gume sjemenki kadulje
- proteina
Pročitajte više o ultrazvučnoj sintezi nanokompozitnih hidrogelova i nanogelova!
Nastanak hidrogelova geliranjem potpomognutim ultrazvukom s pomoću ultrazvučnog uređaja UP100H (Istraživanje i videozapis: Rutgeerts i sur., 2019)
SEM snimka hidrogela od poli(akrilamida-ko-itakonske kiseline koji sadrži MWCNT-ove. MWCNT-ovi su ultrazvučno dispergirani ultrazvučnim uređajem UP200S.
istraživanje i slika: Mohammadinezhada i sur., 2018
Izrada hidrogela od poli(akrilamida-ko-itakonske kiseline) i MWCNT-ova sonikacijom
Mohammadinezhada i sur. (2018) uspješno su proizveli superapsorbirajući hidrogelni kompozit koji sadrži poli(akrilamid-ko-itakonska kiselina) i višestijene ugljikove nanocijevi (MWCNT-ove). Ultrazvučna obrada provedena je Hielscher ultrazvučnim uređajem UP200S. Stabilnost hidrogela povećavala se s povećanjem udjela MWCNT-ova, što bi se moglo pripisati njihovoj hidrofobnoj prirodi te povećanju gustoće umreživača. Kapacitet zadržavanja vode (WRC) hidrogela P(AAm-co-IA) također se povećao u prisutnosti MWCNT-ova (10 wt%). U ovom su istraživanju učinci ultrazvučne obrade ocijenjeni kao superiorni u pogledu ravnomjerne raspodjele ugljikovih nanocijevi na površini polimera. MWCNT-ovi su ostali neoštećeni, bez ikakvog narušavanja polimerne strukture. Osim toga, povećali su se čvrstoća dobivenog nanokompozita, njegov kapacitet zadržavanja vode i apsorpcija drugih topljivih tvari poput Pb (II). Sonikacija je razgradila inicijator i dispergirala MWCNT-ove kao izvrsno punilo u polimernim lancima uz porast temperature.
Istraživači zaključuju da se ti „reakcijski uvjeti ne mogu postići konvencionalnim metodama te se ne mogu postići homogenost i dobra disperzija čestica u matrici. Osim toga, postupak sonikacije razdvaja nanočestice na pojedinačne čestice, dok se miješanjem to ne može postići. Drugi mehanizam smanjenja veličine jest učinak snažnih akustičnih valova na sekundarne veze poput vodikovih veza, pri čemu to zračenje kida vodikove veze među česticama, a zatim razdvaja agregirane čestice i povećava broj slobodnih adsorpcijskih skupina poput -OH te njihovu dostupnost. Stoga ta važna pojava čini postupak sonikacije superiornom metodom u odnosu na druge metode, poput magnetskog miješanja koje se primjenjuje u literaturi.” [Mohammadinezhada et al., 2018]
Ultrazvučni uređaji visokih performansi za sintezu hidrogelova
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučnu opremu visokih performansi za sintezu hidrogelova. Od malih i srednjih ultrazvučnih uređaja za istraživanje i razvoj te pilot-primjene do industrijskih sustava za komercijalnu proizvodnju hidrogelova u kontinuiranom načinu rada, Hielscher Ultrasonics pokriva zahtjeve vašeg procesa.
Ultrazvučni uređaji industrijske klase mogu postići vrlo visoke amplitude, koje omogućuju pouzdane reakcije umrežavanja i polimerizacije te ravnomjerno dispergiranje nanočestica. S amplitudama do 200µm može se lako kontinuirano raditi u režimu 24/7/365. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
- visoka učinkovitost
- najsuvremenija tehnologija
- pouzdanost i robusnost
- šaržna i protočna obrada
- za bilo koji volumen
- inteligentni softver
- pametne funkcije (npr. bilježenje podataka)
- CIP (čišćenje na mjestu)
Zatražite već danas dodatne tehničke informacije, cijene i neobvezujuću ponudu. Naše osoblje s dugogodišnjim iskustvom rado će vas savjetovati!
Tablica u nastavku daje uvid u približan kapacitet obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skup uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskom, pilot i industrijskom mjerilu.
Korisne činjenice
Za što se upotrebljavaju hidrogelovi?
Hidrogelovi se upotrebljavaju u mnogim industrijama, primjerice u farmaceutskoj industriji za dostavu lijekova (npr. dostavu lijekova s vremenski kontroliranim oslobađanjem, oralnu, intravensku, topikalnu ili rektalnu dostavu), u medicini (npr. kao nosači u tkivnom inženjerstvu, implantati dojki, biomehanički materijal, obloge za rane), u kozmetičkim proizvodima, proizvodima za njegu (npr. kontaktne leće, pelene, higijenski ulošci), poljoprivredi (npr. za formulacije pesticida, granule za zadržavanje vlage u tlu u sušnim područjima), istraživanju materijala kao funkcionalni polimeri (npr. vodeni gel-eksplozivi, inkapsulacija kvantnih točaka, termodinamička proizvodnja električne energije), za odvodnjavanje ugljena, umjetni snijeg, prehrambene aditive i druge proizvode (npr. ljepilo).
Klasifikacija hidrogelova
Prema svojoj fizičkoj strukturi hidrogelovi se mogu klasificirati na sljedeći način:
- amorfni (nekristalni)
- polukristalni: složena smjesa amorfnih i kristalnih faza
- kristalni
Prema polimernom sastavu hidrogelovi se također mogu svrstati u sljedeće tri kategorije:
- homopolimerni hidrogelovi
- kopolimerni hidrogelovi
- multipolimerni hidrogelovi / IPN hidrogelovi
Prema vrsti umrežavanja hidrogelovi se dijele na:
- kemijski umrežene mreže: trajne spojne točke
- fizički umrežene mreže: privremene spojne točke
Prema fizičkom izgledu razlikuju se:
- matrica
- film
- mikrosfera
Klasifikacija prema električnom naboju mreže:
- neionski (neutralni)
- ionski (uključujući anionske ili kationske)
- amfoterni elektrolit (amfolitni)
- zwitterionski (polibetaini)
Literatura / Reference
- Mohammadinezhada, Alireza; Marandi, Gholam Bagheri; Farsadrooh, Majid; Javadian, Hamedreza (2018): Synthesis of poly(acrylamide-co-itaconic acid)/MWCNTs superabsorbent hydrogel nanocomposite by ultrasound-assisted technique: Swelling behavior and Pb (II) adsorption capacity. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 49, 2018. 1-12.
- Cass, Peter; Knower, Warren; Pereeia, Eliana; Holmes, Natalie P.; Hughes Tim (2010): Preparation of hydrogels via ultrasonic polymerization. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 2, February 2010. 326-332.
- Willfahrt, A., Steiner, E., Hoetzel, J., Crispin, X. (2019): Printable acid-modified corn starch as non-toxic, disposable hydrogel-polymer electrolyte in supercapacitors. Applied Physics A, 125(7), 474.
- Butylina, Svetlana; Geng, Shiyu; Laatikainen, Katri; Oksman, Kristiina (2020): Cellulose Nanocomposite Hydrogels: From Formulation to Material Properties. Frontiers in Chemistry, Vol. 8, 655, 2020.
- Rutgeerts, Laurens A. J.; Soultan, Al Halifa; Subramani, Ramesh; Toprakhisar, Burak; Ramon, Herman; Paderes, Monissa C.; De Borggraeve, Wim M.; Patterson, Jennifer (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chemical Communications Issue 51, 2019.
- Oleyaei, Seyed Amir; Razavi, Seyed Mohammad Ali; Mikkonen, Kirsi S. (2018): Physicochemical and rheo-mechanical properties of titanium dioxide reinforced sage seed gum nanohybrid hydrogel. International Journal of Biological Macromolecules Vol. 118, Part A, 2018. 661-670.
Ultrazvuk visokih performansi! Asortiman proizvoda tvrtke Hielscher obuhvaća cijeli raspon, od kompaktnog laboratorijskog ultrazvučnog uređaja preko stolnih uređaja do potpuno industrijskih ultrazvučnih sustava.