Ultrazvučna priprema ojačane gume
- Ojačane gume imaju veću vlačnu čvrstoću, istezanje, otpornost na abraziju i bolju postojanost pri starenju.
- Punila poput čađe (npr. CNTs, MWNTs), grafena ili silicijeva dioksida moraju biti homogeno dispergirana u matrici kako bi se osigurala željena svojstva materijala.
- Ultrazvuk velike snage omogućuje vrhunsku kvalitetu raspodjele monodispergiranih nanočestica s izrazitim svojstvima ojačavanja.
Ultrazvučno dispergiranje
Ultrazvučna obrada široko se primjenjuje za dispergiranje nanomaterijala poput monodispergiranih nanočestica i nanocijevi jer ultrazvuk znatno poboljšava razdvajanje i funkcionalizaciju čestica i cijevi.
Oprema za ultrazvučno dispergiranje stvara kavitaciju i snažne smične sile za razbijanje, deaglomeraciju, raspetljavanje i dispergiranje nanočestica i nanocijevi. Intenzitet sonikacije može se precizno podešavati i kontrolirati tako da parametri ultrazvučne obrade budu savršeno prilagođeni, uzimajući u obzir koncentraciju, aglomeraciju i usmjerenost/zapletenost nanomaterijala. Time se nanomaterijali mogu optimalno obrađivati u skladu sa specifičnim zahtjevima pojedinog materijala. Optimalni uvjeti dispergiranja, postignuti pojedinačno prilagođenim parametrima ultrazvučnog procesa, rezultiraju visokokvalitetnim konačnim gumenim nanokompozitom s vrhunskim svojstvima ojačavanja koja pružaju nanoaditivi i nanopunila.
Zbog vrhunske kvalitete ultrazvučnog dispergiranja i time postignute ravnomjerne disperzije, vrlo nizak udio punila dovoljan je za postizanje izvrsnih svojstava materijala.
Industrijski ultrazvučni sustav
Guma ojačana čađom primjenom ultrazvuka
Čađa je jedno od najvažnijih punila u gumama, posebno u automobilskim gumama, jer gumenom materijalu daje otpornost na abraziju i vlačnu čvrstoću. Čestice čađe izrazito su sklone stvaranju agregata koje je teško homogeno dispergirati. Čađa se često upotrebljava u bojama, emajlima, tiskarskim bojama, bojilima za najlon i plastiku, smjesama lateksa, smjesama voskova, fotografskim premazima i drugim proizvodima.
Ultrazvučno dispergiranje omogućuje deaglomeraciju i ravnomjerno miješanje uz vrlo visoku monodisperznost čestica.
Kliknite ovdje kako biste saznali više o ultrazvučnom dispergiranju za ojačane kompozite!
Guma ojačana CNT-ovima / MWCNT-ovima primjenom ultrazvuka
Ultrazvučni homogenizatori snažni su sustavi za dispergiranje koji se mogu precizno kontrolirati i prilagoditi zahtjevima procesa i materijala. Precizna kontrola parametara ultrazvučnog procesa posebno je važna za dispergiranje nanocijevi poput MWNT-ova ili SWNT-ova jer se nanocijevi moraju raspetljati u pojedinačne cijevi bez oštećenja (npr. prekidanja). Neoštećene nanocijevi imaju visok omjer duljine i promjera (do 132.000.000:1), pa pri ugradnji u kompozit pružaju iznimnu čvrstoću i krutost. Snažna, precizno podešena sonikacija nadvladava Van der Waalsove sile te dispergira i raspetljava nanocijevi, što rezultira gumenim materijalom visokih performansi s iznimnom vlačnom čvrstoćom i modulom elastičnosti.
Nadalje, ultrazvučna funkcionalizacija primjenjuje se za modificiranje ugljikovih nanocijevi radi postizanja željenih svojstava koja se mogu iskoristiti u brojnim primjenama.
Ultrazvučni uređaji za kontinuirano dispergiranje nanomaterijala, čađe ili aktivnog ugljena.
Guma ojačana nanosilicijevim dioksidom primjenom ultrazvuka
Ultrazvučni dispergatori omogućuju vrlo ravnomjernu raspodjelu nanočestica silicijeva dioksida (SiO2) u polimernim otopinama gume. Nanočestice silicijeva dioksida (SiO2) moraju biti homogeno raspoređene kao monodispergirane čestice u polimeriziranom stiren-butadienu i drugim gumama. Monodispergirani nano-SiO2 djeluje kao sredstvo za ojačavanje koje znatno poboljšava žilavost, čvrstoću, istezanje, svojstva pri savijanju i otpornost na starenje. Za nanočestice vrijedi: što je veličina čestica manja, to je njihova specifična površina veća. Većim omjerom površine i volumena (S/V) postižu se bolji strukturni učinci i učinci ojačavanja, čime se povećavaju vlačna čvrstoća i tvrdoća gumenih proizvoda.
Ultrazvučno dispergiranje nanočestica silicijeva dioksida omogućuje preciznu kontrolu procesnih parametara kako bi se postigle sferna morfologija, precizno prilagođena veličina čestica i vrlo uska raspodjela veličine čestica.
Ultrazvučno dispergirani silicijev dioksid osigurava najbolja svojstva tako ojačane gume.
Kliknite ovdje kako biste saznali više o ultrazvučnom dispergiranju SiO2!
Ultrazvučno dispergiranje dodataka za ojačavanje
Dokazano je da sonikacija dispergira mnoge druge materijale u obliku nanočestica radi poboljšanja modula, vlačne čvrstoće i svojstava gumenih kompozita pri zamoru. Budući da su veličina, oblik, površina i površinska aktivnost čestica punila i dodataka za ojačavanje ključni za njihovu učinkovitost, snažni i pouzdani ultrazvučni dispergatori jedno su od najčešće korištenih sredstava za ugradnju čestica mikrometarskih i nanometarskih veličina u gumene proizvode.
Tipični dodaci i punila koji se sonikacijom ugrađuju u gumene matrice kao jednoliko raspodijeljene ili monodispergirane čestice jesu kalcijev karbonat, kaolinska glina, pirogeni silicijev dioksid, taloženi silicijev dioksid, grafitni oksid, grafen, tinjac, talk, barit, volastonit, taloženi silikati, pirogeni silicijev dioksid i dijatomit.
Kada se nanočestice TiO2 funkcionalizirane oleinskom kiselinom ultrazvučno dispergiraju u stiren-butadienskoj gumi, čak i vrlo mala količina oleic-SiO2 dovodi do znatnog poboljšanja modula, vlačne čvrstoće i svojstava pri zamoru te djeluje kao zaštitno sredstvo protiv fotodegradacije i toplinske degradacije.
- Aluminijev oksid trihidrat (Al2O3) dodaje se kao usporivač gorenja, za poboljšanje toplinske vodljivosti te za otpornost na stvaranje vodljivih staza i eroziju.
- Punila od cinkova oksida (ZnO) povećavaju relativnu permitivnost i toplinsku vodljivost.
- Titanijev dioksid (TiO2) poboljšava toplinsku i električnu vodljivost.
- Kalcijev karbonat (CaCO3) upotrebljava se kao dodatak zbog svojih mehaničkih i reoloških svojstava te svojstava usporavanja gorenja.
- Barijev titanat (BaTiO3) povećava toplinsku stabilnost.
- Grafen i grafenov oksid (GO) daju materijalu vrhunska mehanička, električna, toplinska i optička svojstva.
- Ugljikove nanocijevi (CNTs) znatno poboljšavaju mehanička svojstva kao što su vlačna čvrstoća, električna i toplinska vodljivost.
- Višestijene ugljikove nanocijevi (MWNTs) poboljšavaju Youngov modul i granicu razvlačenja. Primjerice, već 1 wt.% MWNTs u epoksidu dovodi do povećanja Youngova modula za 100% i granice razvlačenja za 200% u usporedbi s čistom matricom.
- Jednostijene ugljikove nanocijevi (SWNTs) poboljšavaju mehanička svojstva i toplinsku vodljivost.
- Ugljikova nanovlakna (CNF) povećavaju čvrstoću, otpornost na toplinu i trajnost.
- Metalne nanočestice kao što su nikal, željezo, bakar, cink, aluminij i srebro dodaju se radi poboljšanja električne i toplinske vodljivosti.
- Organski nanomaterijali kao što je montmorilonit poboljšavaju mehanička svojstva i svojstva usporavanja gorenja.
Sustavi za ultrazvučno dispergiranje
Hielscher Ultrasonics nudi širok raspon ultrazvučne opreme – od manjih stolnih sustava za ispitivanje izvedivosti do industrijskih ultrazvučnih uređaja za velika opterećenja snage do 16kW po uređaju. Snaga, pouzdanost, mogućnost precizne kontrole i robusnost čine sustave za ultrazvučno dispergiranje tvrtke Hielscher „radnim konjem” u proizvodnoj liniji formulacija s česticama mikrometarskih i nanometarskih veličina. Naši ultrazvučni uređaji mogu obrađivati vodene disperzije i disperzije na bazi otapala, čak i pri visokim viskoznostima (do 10.000cp) s lakoćom. Različite sonotrode (ultrazvučni rogovi), pojačivači (za povećanje/smanjenje amplitude), geometrije protočnih ćelija i drugi pribor omogućuju optimalnu prilagodbu ultrazvučnog dispergatora proizvodu i zahtjevima njegova procesa.
Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude. Kontinuirani rad s amplitudama do 200µm u režimu 24/7 moguć je bez odgode. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost ultrazvučne opreme tvrtke Hielscher omogućuje 24/7 rad pri velikom opterećenju i u zahtjevnim okruženjima. Ultrazvučni dispergatori tvrtke Hielscher instalirani su diljem svijeta za komercijalnu proizvodnju velikih razmjera.
Prilagođeni ultrazvučni sustav za nanodisperzije
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 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 | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Literatura / reference
- 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.
Korisne činjenice
Sintetski kaučuk
Sintetski kaučuk je bilo koji umjetni elastomer. Sintetski kaučuci uglavnom su polimeri sintetizirani iz nusproizvoda nafte i izrađuju se, poput drugih polimera, od različitih monomera na bazi nafte. Najzastupljeniji sintetski kaučuk je stiren-butadienski kaučuk (SBR), dobiven kopolimerizacijom stirena i spoja 1,3-butadiene. Drugi sintetski kaučuci pripremaju se od izoprena (2-methyl-1,3-butadiene), kloroprena (2-chloro-1,3-butadiene) i izobutilena (metilpropena) s malim postotkom izoprena za umrežavanje. Ti i drugi monomeri mogu se miješati u različitim omjerima i kopolimerizirati kako bi se dobili proizvodi s nizom fizikalnih, mehaničkih i kemijskih svojstava. Monomeri se mogu proizvesti u čistom obliku, a dodavanje nečistoća ili aditiva može se planski kontrolirati radi postizanja optimalnih svojstava. Polimerizacija čistih monomera može se bolje kontrolirati kako bi se dobio željeni omjer cis i trans dvostrukih veza.
Sintetski kaučuk, poput prirodnog kaučuka, široko se upotrebljava u automobilskoj industriji za gume, profile vrata i prozora, crijeva, remenje, prostirke i podne obloge.
Prirodni kaučuk
Prirodni kaučuk poznat je i kao indijska guma ili kaučuk. Prirodni kaučuk klasificira se kao elastomer i sastoji se uglavnom od polimera organskog spoja poli-cis-izoprena i vode. Sadrži tragove nečistoća poput proteina, prljavštine itd. Prirodni kaučuk, koji se dobiva kao lateks iz kaučukovca Hevea Brasiliensis, pokazuje izvrsna mehanička svojstva. Međutim, u usporedbi sa sintetskim kaučucima, prirodni kaučuk ima slabija svojstva materijala, osobito u pogledu toplinske stabilnosti i kompatibilnosti s naftnim proizvodima. Prirodni kaučuk ima širok raspon primjena, samostalno ili u kombinaciji s drugim materijalima. Uglavnom se upotrebljava zbog velikog omjera istezanja, visoke odbojne elastičnosti i iznimno visoke vodonepropusnosti. Talište kaučuka iznosi približno 180°C (356°F).
Tablica u nastavku daje pregled različitih vrsta kaučuka:
| ISO | Tehnički naziv | Uobičajeni naziv |
|---|---|---|
| ACM | Poliakrilatni kaučuk | |
| AEM | Etilen-akrilatni kaučuk | |
| AU | Poliesterski uretan | |
| BIIR | Bromirani izobutilen-izopren | Bromobutil |
| BR | Polibutadien | Buna CB |
| CIIR | Klorirani izobutilen-izopren | Klorobutil, butil |
| CR | Polikloropren | Kloropren, Neoprene |
| CSM | Klorsulfonirani polietilen | Hypalon |
| ECO | Epiklorhidrin | ECO, epiklorhidrin, Epichlore, Epichloridrine, Herclor, Hydrin |
| EP | Etilen-propilen | |
| EPDM | Etilen-propilen-dienski monomer | EPDM, Nordel |
| EU | Polieterski uretan | |
| FFKM | Perfluorougljični kaučuk | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Fluorirani ugljikovodik | Viton, Fluorel |
| FMQ | Fluorosilikon | FMQ, silikonski kaučuk |
| FPM | Fluorougljični kaučuk | |
| HNBR | Hidrogenirani nitril-butadien | HNBR |
| IR | Poliizopren | (Sintetski) prirodni kaučuk |
| IIR | Izobutilen-izoprenski butil | Butil |
| NBR | Akrilonitril-butadien | NBR, nitril, Perbunan, Buna-N |
| PU | Poliuretan | PU, poliuretan |
| SBR | Stiren-butadien | SBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE |
| SEBS | Stiren-etilen-butilen-stirenski kopolimer | SEBS guma |
| SI | Polisiloksan | Silikonska guma |
| VMQ | Vinil-metil-silikon | Silikonska guma |
| XNBR | Akrilonitril-butadien-karboksilni monomer | XNBR, karboksilirani nitril |
| XSBR | Stiren-butadien-karboksilni monomer | |
| YBPO | Termoplastični polieter-ester | |
| YSBR | Stiren-butadienski blok-kopolimer | |
| YXSBR | Stiren-butadien-karboksilni blok-kopolimer |
SBR
Stiren-butadien ili stiren-butadienska guma (SBR) označava sintetske gume dobivene od stirena i butadiena. Ojačani stiren-butadien odlikuje se visokom otpornošću na abraziju i dobrim svojstvima otpornosti na starenje. Omjer stirena i butadiena određuje svojstva polimera: pri visokom udjelu stirena gume postaju tvrđe i manje gumaste.
Ograničenja neojačanog SBR-a proizlaze iz njegove niske čvrstoće bez ojačanja, niske odbojne elastičnosti, niske otpornosti na trganje (osobito pri visokim temperaturama) i slabe ljepljivosti. Stoga su za poboljšanje svojstava SBR-a potrebna sredstva za ojačavanje i punila. Primjerice, punila od čađe upotrebljavaju se za znatno povećanje čvrstoće i otpornosti na abraziju.
Stiren
Stiren (C8H8) poznat je pod raznim nazivima kao što su etenilbenzen, vinilbenzen, fenileten, feniletilen, cinamen, stirol, diarex HF 77, stirolen i stiropol. To je organski spoj kemijske formule C6H5CH=CH2. Stiren je prekursor polistirena i nekoliko kopolimera.
Derivat je benzena i pojavljuje se kao bezbojna uljasta tekućina koja lako isparava. Stiren ima slatkast miris koji pri visokim koncentracijama postaje manje ugodan.
U prisutnosti vinilne skupine stiren stvara polimer. Polimeri na bazi stirena komercijalno se proizvode radi dobivanja proizvoda kao što su polistiren, ABS, stiren-butadienska guma (SBR), stiren-butadienski lateks, SIS (stiren-izopren-stiren), S-EB-S (stiren-etilen/butilen-stiren), stiren-divinilbenzen (S-DVB), stiren-akrilonitrilna smola (SAN) i nezasićeni poliesteri koji se upotrebljavaju u smolama i duroplastičnim smjesama. Ti su materijali važne komponente za proizvodnju gume, plastike, izolacije, stakloplastike, cijevi, dijelova automobila i plovila, spremnika za hranu i podloga za tepihe.
Primjene gume
Guma ima brojna svojstva materijala kao što su čvrstoća, dugotrajnost, otpornost na vodu i otpornost na toplinu. Ta svojstva čine gumu vrlo svestranom pa se upotrebljava u mnogim industrijama. Guma se ponajprije upotrebljava u automobilskoj industriji, uglavnom za proizvodnju automobilskih guma. Dodatna svojstva kao što su otpornost na klizanje, mekoća, trajnost i odbojna elastičnost čine gumu vrlo često upotrebljavanim kompozitom za proizvodnju obuće, podnih obloga, medicinskih i zdravstvenih potrepština, proizvoda za kućanstvo, igračaka, sportskih artikala i mnogih drugih gumenih proizvoda.
Nanoaditivi i punila
Punila i aditivi nanometarskih dimenzija u gumama djeluju kao sredstva za ojačavanje i zaštitu radi poboljšanja vlačne čvrstoće, otpornosti na abraziju, otpornosti na trganje i histereze te zaštite gume od fotodegradacije i toplinske degradacije.
Silika
Silika (SiO2, silicijev dioksid) upotrebljava se u mnogim oblicima, kao što je amorfna silika, primjerice pirogena silika, silicijska prašina i taložena silika, za poboljšanje svojstava materijala u pogledu dinamičkih mehaničkih svojstava, otpornosti na toplinsko starenje i morfologije. Smjese punjene silikom pokazuju porast viskoznosti i gustoće umreženja s porastom udjela punila. Tvrdoća, modul, vlačna čvrstoća i svojstva trošenja postupno su se poboljšavali povećanjem količine punila od silike.
Čađa
Čađa je oblik parakristalnog ugljika s kemisorbiranim kisikovim kompleksima (kao što su karboksilne, kinonske, laktonske, fenolne i druge skupine) vezanima za njezinu površinu. Te površinske kisikove skupine obično se obuhvaćaju nazivom „hlapljivi kompleksi”. Zbog tog sadržaja hlapljivih tvari čađa je nevodljiv materijal. Čestice čađe funkcionalizirane kompleksima ugljika i kisika lakše se dispergiraju.
Visok omjer površine i volumena čađe čini je uobičajenim ojačavajućim punilom. Gotovo svi gumeni proizvodi za koje su vlačna čvrstoća i otpornost na abraziju ključne sadržavaju čađu. Taloženi ili pirogeni silicijev dioksid upotrebljava se kao zamjena za čađu kada je potrebno ojačati gumu, ali treba izbjeći crnu boju. Međutim, punila na bazi silicijeva dioksida također osvajaju tržišni udio u automobilskim gumama jer njihova upotreba rezultira manjim gubicima pri kotrljanju u usporedbi s gumama punjenima čađom.
Tablica u nastavku daje pregled vrsta čađe koje se upotrebljavaju u gumama
| Naziv | Kratica | ASTM | Veličina čestica nm | Vlačna čvrstoća MPa | Relativna laboratorijska abrazija | Relativna abrazija pri cestovnoj upotrebi |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Pećna čađa s vrlo visokom otpornošću na abraziju | SAF | N110 | 20–25 | 25,2 | 1,35 | 1,25 |
| Srednja klasa SAF | ISAF | N220 | 24–33 | 23,1 | 1,25 | 1,15 |
| Pećna čađa s visokom otpornošću na abraziju | HAF | N330 | 28–36 | 22,4 | 1,00 | 1,00 |
| Kanalna čađa za laku preradu | EPC | N300 | 30–35 | 21,7 | 0,80 | 0,90 |
| Pećna čađa za brzo ekstrudiranje | FEF | N550 | 39–55 | 18,2 | 0,64 | 0,72 |
| Pećna čađa za visok modul elastičnosti | HMF | N660 | 49–73 | 16,1 | 0,56 | 0,66 |
| Poluojačavajuća pećna čađa | SRF | N770 | 70–96 | 14,7 | 0,48 | 0,60 |
| Fina termička čađa | FT | N880 | 180–200 | 12,6 | 0,22 | – |
| Termička čađa srednje finoće | MT | N990 | 250–350 | 9,8 | 0,18 | – |
Grafenov oksid
Grafenov oksid dispergiran u SBR-u rezultira visokom vlačnom čvrstoćom i čvrstoćom na trganje, kao i izvanrednom otpornošću na trošenje te niskim otporom kotrljanja, što su važna svojstva materijala za proizvodnju guma. SBR ojačan grafenovim oksidom i silicijevim dioksidom nudi konkurentnu alternativu za ekološki prihvatljivu proizvodnju guma, kao i za proizvodnju gumenih kompozita visokih performansi. Grafen i grafenov oksid mogu se uspješno, pouzdano i lako eksfolirati sonikacijom. Kliknite ovdje kako biste saznali više o ultrazvučnoj proizvodnji grafena!