Ultrazvučna formulacija ojačanih kompozita
- Kompoziti pokazuju jedinstvena svojstva materijala kao što su značajno poboljšana termo-stabilnost, modul elastičnosti, vlačna čvrstoća, čvrstoća na lom i stoga se široko koriste u proizvodnji višestrukih proizvoda.
- Dokazano je da sonikacija proizvodi visokokvalitetne nanokompozite s visoko raspršenim CNT-ovima, grafenom itd.
- Ultrazvučna oprema za formuliranje ojačanih kompozita dostupna je u industrijskim razmjerima.
nanokompoziti
Nanokompoziti se ističu svojim mehaničkim, električnim, toplinskim, optičkim, elektrokemijskim i/ili katalitičkim svojstvima.
Zbog iznimno visokog omjera površine i volumena faze za ojačavanje i/ili iznimno visokog omjera širine i visine, nanokompoziti su znatno učinkovitiji od konvencionalnih kompozita. Za ojačanje se često koriste nano čestice poput sferičnog silicijevog dioksida, mineralne ploče poput ljuštenog grafena ili gline ili nano vlakna poput ugljikovih nanocijevi ili elektrospun vlakana.
Na primjer, ugljikove nanocijevi se dodaju za poboljšanje električne i toplinske vodljivosti, nano silicij se koristi za poboljšanje mehaničkih, toplinskih i vodootpornih svojstava. Druge vrste nanočestica daju poboljšana optička svojstva, dielektrična svojstva, otpornost na toplinu ili mehanička svojstva kao što su krutost, čvrstoća i otpornost na koroziju i oštećenja.
Primjeri za ultrazvučno formulirane nanokompozite:
- ugljikove nanocijevi (CNT) u matrici vinil estera
- CNT / ugljični lukovi / nano dijamanti u metalnoj matrici nikla
- CNT u matrici legure magnezija
- CNT u matrici od polivinil alkohola (PVA).
- višeslojne ugljikove nanocijevi (MWCNT) u matrici epoksidne smole (koristeći metil tetrahidroftalni anhidrid (MTHPA) kao sredstvo za stvrdnjavanje)
- grafen oksid u poli(vinil alkohol) (PVA) matrici
- SiC nanočestice u magnezijevoj matrici
- nano silika (Aerosil) u polistirenskoj matrici
- magnetski željezni oksid u fleksibilnoj poliuretanskoj (PU) matrici
- nikal oksid u grafitu/poli(vinil kloridu)
- nanočestice titanijevog oksida u matrici poli-mliječne-ko-glikolne kiseline (PLGA)
- nano hidroksiapatit u matrici polimliječne ko-glikolne kiseline (PLGA)
Ultrazvučna disperzija
Parametri ultrazvučnog procesa mogu se točno kontrolirati i optimalno prilagoditi sastavu materijala i željenoj kvaliteti izlaza. Ultrazvučna disperzija je preporučena tehnika za ugradnju nano čestica kao što su CNT ili grafen u nanokompozite. Dugo vremena testirana na znanstvenoj razini i implementirana u mnogim industrijskim proizvodnim postrojenjima, ultrazvučna disperzija i formulacija nanokompozita je dobro uspostavljena metoda. Hielscherovo dugogodišnje iskustvo u ultrazvučnoj obradi nano materijala osigurava temeljito savjetovanje, preporuku prikladnog ultrazvučnog postavljanja i pomoć tijekom razvoja i optimizacije procesa.
Uglavnom se ojačavajuće nano čestice raspršuju u matricu tijekom obrade. Težinski postotak (maseni udio) dodanog nano materijala kreće se u nižoj ljestvici, npr. 0,5% do 5%, budući da ujednačena disperzija postignuta ultrazvukom omogućuje uštedu punila za pojačanje i veću učinkovitost ojačanja.
Tipična primjena ultrazvuka u proizvodnji je formulacija kompozita nanočestica i smole. Za proizvodnju vinil estera ojačanog CNT-om, ultrazvuk se koristi za raspršivanje i funkcionalizaciju CNT-a. Ove CNT-vinil estere karakteriziraju poboljšana električna i mehanička svojstva.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o disperziji CNT-a!
grafen
Grafen nudi iznimna fizička svojstva, visok omjer širine i visine slike i nisku gustoću. Grafen i grafen oksid integrirani su u kompozitnu matricu kako bi se dobili lagani polimeri visoke čvrstoće. Da bi se postiglo mehaničko ojačanje, grafenske ploče/pločice moraju biti vrlo fino raspršene, jer aglomerirane grafenske ploče drastično ograničavaju učinak pojačanja.
Znanstvena istraživanja su pokazala da veličina poboljšanja najviše ovisi o stupnju disperzije grafenskih ploča u matrici. Samo homogeno raspršeni grafen daje željene efekte. Zbog svoje jake hidrofobnosti i van der Waalsove privlačnosti, grafen je sklon agregaciji i aglomeraciji u ljuskice jednoslojnih listova koji slabo međusobno djeluju.
Dok uobičajene tehnike disperzije često ne mogu proizvesti homogene, neoštećene disperzije grafena, ultrazvučni uređaji velike snage proizvode disperzije grafena visoke kvalitete. Hielscherovi ultrazvučni uređaji bez problema obrađuju netaknuti grafen, grafen oksid i reducirani grafen oksid od niske do visoke koncentracije i od malih do velikih količina. Najčešće korišteno otapalo je N-metil-2-pirolidon (NMP), ali s ultrazvukom velike snage, grafen se može čak i dispergirati u lošim otapalima s niskim vrelištem kao što su aceton, kloroform, IPA i cikloheksanon.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o skupnom pilingu grafena!
Ugljikove nanocijevi i drugi nano materijali
Dokazano je da moćni ultrazvuk rezultira finim disperzijama različitih nano materijala uključujući ugljikove nanocijevi (CNT), SWNT, MWNT, fulerene, silicij (SiO2), titanijev dioksid (TiO2), srebro (Ag), cinkov oksid (ZnO), nanofibrilirana celuloza i mnogi drugi. Općenito, sonikacija nadmašuje konvencionalne raspršivače i može postići jedinstvene rezultate.
Osim mljevenja i dispergiranja nano čestica, izvrsni rezultati postižu se sintetiziranjem nano čestica putem ultrazvučnog taloženja (bottom-up synthesis). Uočeno je da je veličina čestica, npr. ultrazvučno sintetiziranog magnetita, natrij cink molibdata i drugih, manja u usporedbi s onom dobivenom konvencionalnom metodom. Manja veličina pripisuje se poboljšanoj stopi nukleacije i boljim obrascima miješanja zbog smicanja i turbulencije generirane ultrazvučnom kavitacijom.
Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučnoj precipitaciji odozdo prema gore!
Ultrazvučna funkcionalizacija čestica
Specifična površina čestice raste sa smanjenjem veličine. Osobito u nanotehnologiji, izraženost karakteristika materijala značajno se povećava povećanjem površine čestice. Površina se može ultrazvučno povećati i modificirati pričvršćivanjem odgovarajućih funkcionalnih molekula na površinu čestice. Što se tiče primjene i upotrebe nano materijala, svojstva površine jednako su važna kao i svojstva jezgre čestica.
Ultrazvučno funkcionalizirane čestice naširoko se koriste u polimerima, kompozitima & biokompoziti, nanofluidi, sklopljeni uređaji, nanolijekovi itd. Funkcionalizacijom čestica, karakteristike kao što su stabilnost, čvrstoća & krutost, topljivost, polidisperznost, fluorescencija, magnetizam, superparamagnetizam, optička apsorpcija, visoka gustoća elektrona, fotoluminiscencija itd. su drastično poboljšani.
Uobičajene čestice koje su komercijalno funkcionalizirane s Hielscherom’ ultrazvučni sustavi uključuju CNT, SWNT, MWNT, grafen, grafit, silicij (SiO2), nanodijamanti, magnetit (željezni oksid, Fe3O4), nano čestice srebra, nano čestice zlata, porozne & mezoporozne nanočestice itd.
Kliknite ovdje da vidite odabrane bilješke o primjeni za ultrazvučni tretman česticama!
ultrazvučni raspršivači
Hielscherova ultrazvučna oprema za raspršivanje dostupna je za laboratorijsku, stolnu i industrijsku proizvodnju. Hielscherovi ultrazvučni uređaji pouzdani su, robusni, jednostavni za rukovanje i čišćenje. Oprema je dizajnirana za 24/7 rad u teškim uvjetima. Ultrazvučni sustavi mogu se koristiti za serijsku i inline obradu – fleksibilan i lako prilagodljiv vašem procesu i zahtjevima.
Ultrazvučni batch i inline kapaciteti
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 5 do 200 ml | 50 do 500 ml/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 do 2L | 0.25 do 2 m3/sat | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 do 10L | 1 do 8m3/sat | UIP4000 |
| na | 4 do 30m3/sat | UIP16000 |
| na | iznad 30m3/sat | klaster od UIP10000 ili UIP16000 |
Ultrazvučni laboratorijski uređaj za funkcionalizaciju čestica
Literatura/Reference
- Kapole, SA:; Bhanvase, BA; Pinjari, DV; Gogate, PR; Kulkami, RD; Sonawane, SH; Pandit, AB (2014.): “Ispitivanje učinka inhibicije korozije ultrazvučno pripremljenog nanopigmenta natrij cink molibdata u dvokomponentnom epoksi-poliamidnom premazu. Kompozitna sučelja 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, VMA; Moghaddam, ST; Noruzian, M. (2016.): Priprema novih magnetskih nanokompozita od poliuretanske pjene korištenjem nanočestica jezgre i ljuske. Polímeros vol.26 br.4, 2016.
- Tolasz, J.; Štengl, V.; Ecorchard, P. (2014.): Priprema kompozitnog materijala grafen oksid–polistiren. 3. međunarodna konferencija o okolišu, kemiji i biologiji. IPCBEE vol.78, 2014.
Činjenice koje vrijedi znati
O kompozitnim materijalima
Kompozitni materijali (također poznati kao kompozitni materijal) opisuju se kao materijal izrađen od dva ili više sastojaka koji se odlikuju značajno različitim fizičkim ili kemijskim svojstvima. Kada se ti sastavni materijali spoje, nastaje novi materijal – kompozit tzv – koji pokazuje različite karakteristike pojedinih komponenti. Pojedinačne komponente ostaju odvojene i različite unutar gotove strukture.
Novi materijal ima bolja svojstva, npr. jači je, lakši, otporniji ili jeftiniji u usporedbi s konvencionalnim materijalima. Poboljšanja nanokompozita sežu od mehaničkih, električnih/vodljivih, toplinskih, optičkih, elektrokemijskih do katalitičkih svojstava.
Tipični projektirani kompozitni materijali uključuju:
- bio-kompoziti
- ojačana plastika, kao što je polimer ojačan vlaknima
- metalni kompoziti
- keramički kompoziti (keramička matrica i kompozit metalne matrice)
Kompozitni materijali općenito se koriste za gradnju i strukturne materijale kao što su trupovi brodova, radne ploče, karoserije automobila, kade, spremnici, imitacija granita i kultivirani mramorni umivaonici, kao i u svemirskim letjelicama i zrakoplovima.
Kompoziti također mogu koristiti metalna vlakna koja ojačavaju druge metale, kao u kompozitima s metalnom matricom (MMC) ili kompozitima s keramičkom matricom (CMC), koji uključuju kost (hidroksiapatit ojačan kolagenskim vlaknima), kermet (keramika i metal) i beton.
Kompoziti od organske matrice/keramičkih agregata uključuju asfaltbeton, polimerbeton, lijevani asfalt, hibridni lijevani valjak, dentalni kompozit, sintaktičku pjenu i sedef.
O ultrazvučnim učincima na čestice
Svojstva čestica mogu se promatrati kada se veličina čestica smanji na određenu razinu (poznatu kao kritična veličina). Kada dimenzije čestica dosegnu nanometarsku razinu, interakcije na faznim sučeljima postaju uvelike poboljšane, što je ključno za poboljšanje karakteristika materijala. Pri tome je najznačajniji omjer površina : volumen materijala koji se koriste za ojačanje u nanokompozitima. Nanokompoziti nude tehnološke i ekonomske prednosti za gotovo sve sektore industrije, uključujući zrakoplovni, automobilski, elektronički, biotehnološki, farmaceutski i medicinski sektor. Daljnja velika prednost je njihova ekološka prihvatljivost.
Snažni ultrazvuk poboljšava sposobnost vlaženja i homogenizaciju između matrice i čestica svojim intenzivnim miješanjem i raspršivanjem – generiran od strane ultrazvučna kavitacija. Budući da je sonikacija najčešće korištena i najuspješnija disperzijska metoda kada je riječ o nano materijalima, Hielscherovi ultrazvučni sustavi instalirani su u laboratorijima, pilot postrojenjima i proizvodnji diljem svijeta.