Ultrazvučno formuliranje ojačanih kompozita
- Kompoziti pokazuju jedinstvena svojstva materijala, poput znatno poboljšane toplinske stabilnosti, modula elastičnosti, vlačne čvrstoće i lomne čvrstoće, pa se stoga široko primjenjuju u proizvodnji raznovrsnih proizvoda.
- Dokazano je da se sonikacijom proizvode visokokvalitetni nanokompoziti s visoko dispergiranim CNT-ovima, grafenom itd.
- Ultrazvučna oprema za formuliranje ojačanih kompozita dostupna je u industrijskom mjerilu.
Nanokompoziti
Nanokompoziti se ističu svojim mehaničkim, električnim, toplinskim, optičkim, elektrokemijskim i/ili katalitičkim svojstvima.
Zbog iznimno visokog omjera površine i volumena faze ojačala i/ili iznimno visokog omjera dimenzija, nanokompoziti imaju znatno bolja svojstva od konvencionalnih kompozita. Za ojačavanje se često upotrebljavaju nanočestice poput sferičnog silicijeva dioksida, mineralni listići poput eksfoliranog grafena ili gline ili nanovlakna poput ugljikovih nanocijevi ili elektroispredenih vlakana.
Primjerice, ugljikove nanocijevi dodaju se radi poboljšanja električne i toplinske vodljivosti, a nanosilicijev dioksid upotrebljava se radi poboljšanja mehaničkih i toplinskih svojstava te otpornosti na vodu. Druge vrste nanočestica poboljšavaju optička svojstva, dielektrična svojstva, toplinsku otpornost ili mehanička svojstva poput krutosti, čvrstoće te otpornosti na koroziju i oštećenja.
Primjeri ultrazvučno formuliranih nanokompozita:
- ugljikove nanocijevi (CNT) u vinilesterskoj matrici
- CNT-ovi / ugljikove lukovice / nanodijamanti u metalnoj matrici od nikla
- CNT-ovi u matrici od magnezijeve slitine
- CNT-ovi u matrici od polivinilnog alkohola (PVA)
- višestijena ugljikova nanocijev (MWCNT) u matrici od epoksidne smole (uz upotrebu metiltetrahidroftalnog anhidrida (MTHPA) kao sredstva za umrežavanje)
- grafenov oksid u matrici od poli(vinilnog alkohola) (PVA)
- nanočestice SiC u magnezijevoj matrici
- nanosilicijev dioksid (Aerosil) u polistirenskoj matrici
- magnetski željezov oksid u fleksibilnoj poliuretanskoj (PU) matrici
- niklov oksid u grafitu/poli(vinil-kloridu)
- nanočestice titanijeva dioksida u matrici od poli(mliječne-ko-glikolne kiseline) (PLGA)
- nanohidroksiapatit u matrici od poli(mliječne-ko-glikolne kiseline) (PLGA)
Ultrazvučno dispergiranje
Parametri ultrazvučnog procesa mogu se precizno kontrolirati i optimalno prilagoditi sastavu materijala i željenoj kvaliteti konačnog proizvoda. Ultrazvučno dispergiranje preporučena je tehnika za ugradnju nanočestica poput CNT-ova ili grafena u nanokompozite. Ultrazvučno dispergiranje i formuliranje nanokompozita dobro je uhodana metoda, dugogodišnje znanstveno ispitivana i primijenjena u mnogim industrijskim proizvodnim pogonima. Dugogodišnje iskustvo tvrtke Hielscher u ultrazvučnoj obradi nanomaterijala osigurava temeljito savjetovanje, preporuku prikladne ultrazvučne konfiguracije i pomoć tijekom razvoja i optimizacije procesa.
Nanočestice za ojačavanje uglavnom se dispergiraju u matrici tijekom obrade. Maseni postotak (maseni udio) dodanog nanomaterijala nalazi se u nižem rasponu, npr. od 0,5% do 5%, jer ravnomjerno dispergiranje postignuto sonikacijom omogućuje uštedu punila za ojačavanje i veću učinkovitost ojačavanja.
Tipična primjena ultrazvuka u proizvodnji jest formuliranje kompozita od nanočestica i smole. Za proizvodnju vinilestera ojačanog CNT-ovima sonikacija se upotrebljava za dispergiranje i funkcionalizaciju CNT-ova. Te kompozite CNT-ova i vinilestera karakteriziraju poboljšana električna i mehanička svojstva.
Kliknite ovdje i pročitajte više o dispergiranju CNT-ova!
Grafen
Grafen ima iznimna fizikalna svojstva, visok omjer dimenzija i nisku gustoću. Grafen i grafenov oksid ugrađuju se u kompozitnu matricu kako bi se dobili lagani polimeri visoke čvrstoće. Da bi se postiglo mehaničko ojačanje, listovi / pločice grafena moraju biti vrlo fino dispergirani jer aglomerirani listovi grafena drastično ograničavaju učinak ojačavanja.
Znanstvena istraživanja pokazala su da veličina poboljšanja uglavnom ovisi o stupnju dispergiranosti listova grafena u matrici. Samo homogeno dispergiran grafen daje željene učinke. Zbog svoje izrazite hidrofobnosti i van der Waalsova privlačenja grafen je sklon agregiranju i aglomeriranju u pahuljice sastavljene od jednoslojnih listova koji slabo međudjeluju.
Dok uobičajene tehnike dispergiranja često ne mogu proizvesti homogene disperzije neoštećenog grafena, ultrazvučni uređaji velike snage proizvode visokokvalitetne disperzije grafena. Ultrazvučni uređaji tvrtke Hielscher bez poteškoća obrađuju izvorni grafen, grafenov oksid i reducirani grafenov oksid, od niskih do visokih koncentracija i od malih do velikih volumena. Često korišteno otapalo jest N-metil-2-pirolidon (NMP), no ultrazvukom velike snage grafen se može dispergirati čak i u lošim otapalima niskog vrelišta kao što su aceton, kloroform, IPA i cikloheksanon.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o eksfolijaciji grafena u velikim količinama!
Ugljikove nanocijevi i drugi nanomaterijali
Dokazano je da ultrazvuk velike snage omogućuje dobivanje finih disperzija različitih nanomaterijala, uključujući ugljikove nanocijevi (CNTs), SWNTs, MWNTs, fulerene, silicijev dioksid (SiO2), titanijev dioksid (TiO2), srebro (Ag), cinkov oksid (ZnO), nanofibriliranu celulozu i mnoge druge. Općenito, sonikacija nadmašuje konvencionalne dispergatore i može postići jedinstvene rezultate.
Osim mljevenjem i dispergiranjem nanočestica, izvrsni se rezultati postižu i sintezom nanočestica ultrazvučnim taloženjem (sinteza odozdo prema gore). Uočeno je da je veličina čestica, primjerice ultrazvučno sintetiziranog magnetita, natrijeva cinkova molibdata i drugih tvari, manja u usporedbi s onom dobivenom konvencionalnom metodom. Manja veličina pripisuje se povećanoj brzini nukleacije i boljim obrascima miješanja zahvaljujući smicanju i turbulenciji koje stvara ultrazvučna kavitacija.
Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučnom taloženju metodom odozdo prema gore!
Ultrazvučna funkcionalizacija čestica
Specifična površina čestice povećava se sa smanjenjem njezine veličine. Osobito u nanotehnologiji, povećana površina čestice znatno pojačava izraženost svojstava materijala. Površina se može ultrazvučno povećati i modificirati vezanjem odgovarajućih funkcionalnih molekula na površinu čestice. Kada je riječ o primjeni i uporabi nanomaterijala, površinska svojstva jednako su važna kao i svojstva jezgre čestice.
Ultrazvučno funkcionalizirane čestice široko se primjenjuju u polimerima, kompozitima i biokompozitima, nanofluidima, sastavljenim uređajima, nanolijekovima itd. Funkcionalizacijom čestica drastično se poboljšavaju svojstva poput stabilnosti, čvrstoće i krutosti, topljivosti, polidisperznosti, fluorescencije, magnetizma, superparamagnetizma, optičke apsorpcije, visoke elektronske gustoće, fotoluminiscencije itd.
Uobičajene čestice koje se komercijalno funkcionaliziraju ultrazvučnim sustavima tvrtke Hielscher uključuju CNTs, SWNTs, MWNTs, grafen, grafit, silicijev dioksid (SiO2), nanodijamante, magnetit (željezov oksid, Fe3O4), nanočestice srebra, nanočestice zlata, porozne i mezoporozne nanočestice itd.
Kliknite ovdje da biste pogledali odabrane napomene o primjenama ultrazvučne obrade čestica!
Ultrazvučni dispergatori
Oprema tvrtke Hielscher za ultrazvučno dispergiranje dostupna je za laboratorijsku primjenu, rad na laboratorijskom stolu i industrijsku proizvodnju. Ultrazvučni uređaji tvrtke Hielscher pouzdani su, robusni te jednostavni za rukovanje i čišćenje. Oprema je projektirana za rad 24/7 u zahtjevnim uvjetima. Ultrazvučni sustavi mogu se upotrebljavati za šaržnu i protočnu obradu – fleksibilni su i lako se prilagođavaju vašem procesu i zahtjevima.
Kapaciteti ultrazvučne šaržne i protočne obrade
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 5 do 200mL | 50 do 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 do 2L | 0,25 do 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 do 10L | 1 do 8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 do 30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | iznad 30m3/hr | skup uređaja UIP10000 ili UIP16000 |
Ultrazvučni laboratorijski uređaj za funkcionalizaciju čestica
Literatura i reference
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Istraživanje učinkovitosti inhibicije korozije ultrazvučno pripremljenog nanopigmenta natrijeva cinkova molibdata u dvokomponentnom epoksidno-poliamidnom premazu. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Priprema novih nanokompozita magnetske poliuretanske pjene uporabom nanočestica sa strukturom jezgra–ljuska. Polímeros sv.26 br.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Priprema kompozitnog materijala grafenov oksid–polistiren. 3. međunarodna konferencija o okolišu, kemiji i biologiji. IPCBEE sv.78, 2014.
Činjenice koje vrijedi znati
O kompozitnim materijalima
Kompozitni materijali (poznati i kao sastavljeni materijali) opisuju se kao materijali izrađeni od dviju ili više sastavnica koje se odlikuju znatno različitim fizikalnim ili kemijskim svojstvima. Spajanjem tih sastavnih materijala nastaje novi materijal – takozvani kompozit – koji pokazuje svojstva različita od svojstava pojedinačnih komponenata. Pojedinačne komponente ostaju odvojene i međusobno različite unutar dovršene strukture.
Novi materijal ima bolja svojstva, primjerice čvršći je, lakši, otporniji ili jeftiniji u usporedbi s konvencionalnim materijalima. Poboljšanja kod nanokompozita obuhvaćaju mehanička, električna / vodljiva, toplinska, optička, elektrokemijska i katalitička svojstva.
Tipični projektirani kompozitni materijali uključuju:
- biokompozite
- ojačanu plastiku, poput polimera ojačanog vlaknima
- metalne kompozite
- keramičke kompozite (kompozite s keramičkom matricom i metalnom matricom)
Kompozitni materijali općenito se upotrebljavaju kao građevni i konstrukcijski materijali, primjerice za trupove plovila, radne ploče, karoserije automobila, kade, spremnike, imitaciju granita i umivaonike od umjetnog mramora, kao i u svemirskim letjelicama i zrakoplovima.
U kompozitima se također mogu upotrebljavati metalna vlakna koja ojačavaju druge metale, kao u kompozitima s metalnom matricom (MMC) ili kompozitima s keramičkom matricom (CMC), što uključuje kost (hidroksiapatit ojačan kolagenskim vlaknima), kermet (keramika i metal) i beton.
Kompoziti s organskom matricom i keramičkim agregatom uključuju asfaltni beton, polimerni beton, lijevani asfalt, mastic roller hybrid, dentalni kompozit, sintaktičku pjenu i sedef.
O učincima ultrazvuka na čestice
Svojstva čestica mogu se uočiti kada se veličina čestica smanji na određenu razinu (poznatu kao kritična veličina). Kada dimenzije čestica dosegnu nanometarsku razinu, interakcije na granicama faza znatno se poboljšavaju, što je ključno za poboljšanje svojstava materijala. Pritom je najznačajniji omjer površine i volumena materijala koji se upotrebljavaju za ojačavanje nanokompozita. Nanokompoziti nude tehnološke i ekonomske prednosti za gotovo sve industrijske sektore, uključujući zrakoplovnu i svemirsku industriju, automobilsku industriju, elektroniku te biotehnološki, farmaceutski i medicinski sektor. Još jedna velika prednost njihova je prihvatljivost za okoliš.
Ultrazvuk visokog intenziteta poboljšava kvašljivost i homogenizaciju između matrice i čestica intenzivnim miješanjem i dispergiranjem – koje stvara ultrazvučna kavitacija. Budući da je sonikacija najčešće korištena i najuspješnija metoda dispergiranja nanomaterijala, ultrazvučni sustavi Hielscher instalirani su u laboratorijima, pilot-postrojenjima i proizvodnim pogonima diljem svijeta.