Ultrazvučna priprema ojačane gume
- Ojačane gume pokazuju veću vlačnu čvrstoću, istezanje, otpornost na abraziju i bolju stabilnost na starenje.
- Punila poput čađe (npr. CNT, MWNT), grafena ili silicijevog dioksida moraju biti homogeno dispergirana u matrici kako bi se osigurala željena svojstva materijala.
- Snažni ultrazvuk daje vrhunsku kvalitetu distribucije monodisperznih nanočestica s visoko ojačavajućim svojstvima.
Ultrazvučna disperzija
Ultrazvuk se naširoko koristi za raspršivanje nano materijala kao što su monodisperzne nanočestice i nanocijevi, jer ultrazvuk uvelike poboljšava odvajanje i funkcionalizaciju čestica i cijevi.
Ultrazvučna oprema za raspršivanje stvara kavitacija i visoke sile smicanja za ometanje, deaglomeraciju, raspetljavanje i raspršivanje nano čestica i nanocijevi. Intenzitet ultrazvučne obrade može se precizno podesiti i kontrolirati tako da su parametri ultrazvučne obrade savršeno prilagođeni, uzimajući u obzir koncentraciju, aglomeraciju i poravnanje/uplitanje nano materijala. Time se nano materijali mogu optimalno obraditi s obzirom na specifične zahtjeve materijala. Optimalni uvjeti disperzije zahvaljujući individualno prilagođenim parametrima ultrazvučnog procesa rezultiraju visokokvalitetnim konačnim gumenim nanokompozitom s vrhunskim karakteristikama ojačanja nano-aditiva i punila.
Zbog vrhunske kvalitete disperzije ultrazvuka i time postignute jednolike disperzije, vrlo nisko punjenje punila je dovoljno za dobivanje izvrsnih karakteristika materijala.
Ultrazvučno ojačana guma čađom
Čađa je jedno od najvažnijih punila u gumama, posebno za gume, koje gumenom materijalu daje otpornost na abraziju i vlačnu čvrstoću. Čestice čađe vrlo su sklone stvaranju agregata koje je teško homogeno raspršiti. Čađa se obično koristi u bojama, emajlima, tiskarskim bojama, bojama za najlon i plastiku, mješavinama lateksa, mješavinama voska, foto premazima i još mnogo toga.
Ultrazvučna disperzija omogućuje deaglomeraciju i ravnomjerno stapanje s vrlo visokom monodisperznošću čestica.
Kliknite ovdje da biste saznali više o ultrazvučnoj disperziji za ojačane kompozite!
Ultrazvučno CNT- / MWCNT-ojačana guma
Ultrazvučni homogenizatori su snažni disperzni sustavi koji se mogu precizno kontrolirati i prilagoditi zahtjevima procesa i materijala. Precizna kontrola parametara ultrazvučnog procesa posebno je važna za raspršivanje nanocijevi kao što su MWNT ili SWNT budući da se nanocijevi moraju rastaviti u pojedinačne cijevi bez oštećenja (npr. cijepanje). Neoštećene nanocijevi nude visok omjer širine i visine (do 132 000 000:1) tako da daju iznimnu čvrstoću i krutost kada se formuliraju u kompozit. Snažna, precizno prilagođena sonikacija nadvladava Van der Waalsove sile i raspršuje i raspetljava nanocijevi što rezultira gumenim materijalom visokih performansi s iznimnom vlačnom čvrstoćom i modulom elastičnosti.
Nadalje, ultrazvučna funkcionalizacija koristi se za modificiranje ugljikovih nanocijevi kako bi se postigla željena svojstva koja se mogu koristiti u višestrukim primjenama.
Ultrazvučno nano-silika ojačana guma
Ultrazvučni raspršivači daju vrlo ujednačenu distribuciju čestica silicija (SiO2) nano čestice u otopinama gumenih polimera. Silicij (SiO2) nano čestice moraju biti homogeno raspoređene kao monodisperzne čestice u polimeriziranim stiren-butadienskim i drugim gumama. Mono-disperzni nano-SiO2 djeluje kao pojačalo, što značajno poboljšava žilavost, čvrstoću, istezanje, savijanje i učinak protiv starenja. Za nano čestice vrijedi: Što je manja veličina čestica, to je veća specifična površina čestica. S većim omjerom površina/volumen (S/V) postižu se bolji strukturni i ojačavajući učinci, što povećava vlačnu čvrstoću i tvrdoću proizvoda od gume.
Ultrazvučna disperzija nano čestica silicijevog dioksida omogućuje točnu kontrolu parametara procesa tako da se dobije sferna morfologija, precizno prilagođena veličina čestica i vrlo uska raspodjela veličine.
Ultrazvučno raspršen silicij rezultira najboljim učinkom materijala time ojačane gume.
Kliknite ovdje kako biste saznali više o ultrazvučnom raspršivanju SiO2!
Ultrazvučno raspršivanje aditiva za ojačavanje
Dokazano je da sonikacija raspršuje mnoge druge materijale s nanočesticama radi poboljšanja modula, vlačne čvrstoće i svojstava zamora gumenih kompozita. Budući da su veličina čestica, oblik, površina i površinska aktivnost punila i dodataka za pojačanje ključni za njihovu izvedbu, snažni i pouzdani ultrazvučni raspršivači jedna su od najčešće korištenih metoda za formuliranje čestica mikro i nano veličine u gumene proizvode.
Tipični aditivi i punila, koji se inkorporiraju sonikacijom kao jednoliko raspoređene ili monodispergirane čestice u gumenim matricama, su kalcijev karbonat, kaolin glina, fumed silicij, taložen silicij, grafit oksid, grafen, tinjac, talk, barit, wollastonit, istaloženi silikati, fumed silika i dijatomita.
Kada je TiO funkcionaliziran oleinskom kiselinom2 nanočestice su ultrazvučno raspršene u stiren-butadien gumi, čak i vrlo mala količina oleinskog-SiO2 rezultira značajno poboljšanim modulom, vlačnom čvrstoćom i svojstvima zamora te djeluje kao zaštitni agens protiv foto i termo degradacije.
- Aluminij trihidrat (Al2O3) dodaje se kao usporivač plamena, za poboljšanje toplinske vodljivosti i za otpornost na tragove i eroziju.
- Punila od cinkovog oksida (ZnO) povećavaju relativnu permitivnost kao i toplinsku vodljivost.
- Titanijev dioksid (TiO2) poboljšava toplinsku i električnu vodljivost.
- Kalcijev karbonat (CaCO3) koristi se kao aditiv zbog svojih mehaničkih, reoloških i svojstava usporavanja plamena.
- Barijev titanat (BaTiO3) povećava toplinsku stabilnost.
- grafen i grafen oksid (GO) daju vrhunske mehaničke, električne, toplinske i optičke karakteristike materijala.
- Ugljikove nanocijevi (CNT) značajno poboljšavaju mehanička svojstva kao što su vlačna čvrstoća, električna i toplinska vodljivost.
- Ugljikove nanocijevi s više stijenki (MWNT) poboljšavaju Youngov modul i granicu tečenja. Na primjer, samo 1 wt.% MWNT-a u epoksid rezultira povećanim Youngovim modulom i granicom razvlačenja za 100% odnosno 200%, u usporedbi s čistom matricom.
- Ugljikove nanocijevi s jednom stijenkom (SWNT) poboljšavaju mehanička svojstva i toplinsku vodljivost.
- Ugljična nanovlakna (CNF) dodaju snagu, otpornost na toplinu i izdržljivost.
- Metalne nanočestice kao što su nikal, željezo, bakar, cink, aluminij i Srebro dodaju se za poboljšanje električne i toplinske vodljivosti.
- Organski nanomaterijali kao što su montmorilonit poboljšati mehanička svojstva i svojstva usporavanja plamena.
Ultrazvučni disperzijski sustavi
Hielscher Ultrasonics nudi širok asortiman ultrazvučne opreme – od manjih stolnih sustava za ispitivanje izvedivosti do teških sustava industrijske ultrazvučne jedinice s do 16kW po jedinici. Snaga, pouzdanost, precizna upravljivost, kao i njihova robusnost čine Hielscherove ultrazvučne sustave za raspršivanje “radni konj” u proizvodnoj liniji formulacija mikronskih i nanočestica. Naši ultrasonicators sposobni su za obradu vodenih disperzija i disperzija na bazi otapala do visoke viskoznosti (do 10.000 cp) lako. Razne sonotrode (ultrazvučne sirene), pojačivači (pojačivač/smanjivač), geometrije protočne ćelije i drugi dodaci omogućuju optimalnu prilagodbu ultrazvučnog raspršivača proizvodu i zahtjevima njegovog procesa.
Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se kontinuirano izvoditi u radu 24 sata dnevno. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 operacija na teška dužnost i u zahtjevnim okruženjima. Hielscherovi ultrazvučni raspršivači instalirani su diljem svijeta za komercijalnu proizvodnju velikih razmjera.
Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
---|---|---|
10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000 |
na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
na | veći | klaster od 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.
Činjenice koje vrijedi znati
sintetička guma
Sintetička guma je svaki umjetni elastomer. Sintetičke gume su uglavnom polimeri sintetizirani iz naftnih nusproizvoda i izrađeni su, kao i drugi polimeri, od raznih monomera na bazi nafte. Najzastupljeniji sintetski kaučuk je stiren-butadien kaučuk (SBR) dobiven kopolimerizacijom stirena i 1,3-butadiena. Ostale sintetičke gume pripremaju se od izoprena (2-metil-1,3-butadiena), kloroprena (2-kloro-1,3-butadiena) i izobutilena (metilpropena) s malim postotkom izoprena za umrežavanje. Ovi i drugi monomeri mogu se miješati u različitim omjerima kako bi se kopolimerizirali kako bi se proizveli proizvodi s nizom fizičkih, mehaničkih i kemijskih svojstava. Monomeri se mogu proizvoditi čisti, a dodavanje nečistoća ili aditiva može se kontrolirati dizajnom kako bi se postigla optimalna svojstva. Polimerizacija čistih monomera može se bolje kontrolirati kako bi se dobio željeni udio cis i trans dvostrukih veza.
Sintetička guma, kao i prirodna guma, naširoko se koristi u automobilskoj industriji za gume, profile vrata i prozora, crijeva, remenje, prostirke i podove.
prirodna guma
Prirodna guma je također poznata kao indijska guma ili kaučuk. Prirodna guma je klasificirana 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 drveta kaučukovca Hevea brasiliensis, pokazuje izvrsna mehanička svojstva. Međutim, u usporedbi sa sintetičkom gumom, prirodna guma ima niže karakteristike materijala, posebno u pogledu toplinske stabilnosti i kompatibilnosti s naftnim proizvodima. Prirodni kaučuk ima širok raspon primjena, sam ili u kombinaciji s drugim materijalima. Uglavnom se koristi zbog velikog omjera istezanja, visoke elastičnosti i izuzetno visoke vodonepropusnosti. Talište gume je približno 180°C (356°F).
Donja tablica daje pregled različitih vrsta gume:
ISO | Tehnički naziv | Uobičajeno ime |
---|---|---|
ACM | Poliakrilatna guma | |
AEM | Etilen-akrilatna guma | |
Au | Poliester uretan | |
BIIR | Bromo izobutilen izopren | Bromobutil |
BR | Polibutadien | Buna CB |
CIIR | Klor izobutilen izopren | Klorobutil, butil |
CR | Polikloropren | Kloropren, neopren |
CSM | Klorosulfonirani polietilen | Hypalon |
EKO | Epiklorohidrin | ECO, Epiklorohidrin, Epiklor, Epikloridrin, Herklor, Hidrin |
EP | Etilen propilen | |
EPDM | Etilen propilen dien monomer | EPDM, Nordel |
EU | Polieter uretan | |
FFKM | Perfluorougljična guma | Kalrez, Čemraz |
FKM | Fluorirani ugljikovodik | Viton, fluorel |
FMQ | Fluoro silikon | FMQ, silikonska guma |
FPM | Fluorougljična guma | |
HNBR | Hidrogenirani nitril butadien | HNBR |
IR | Poliizopren | (Sintetička) prirodna guma |
IIR | Izobutilen izopren 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 stiren kopolimer | SEBS guma |
Si | Polisiloksan | Silikonska guma |
VMQ | Vinil metil silikon | Silikonska guma |
XNBR | Akrilonitril butadien karboksi monomer | XNBR, karboksilirani nitril |
XSBR | Stiren butadien karboksi monomer | |
YBPO | Termoplastični polieter-ester | |
YSBR | Blok kopolimer stiren butadiena | |
YXSBR | Stiren butadien karboksi blok kopolimer |
SBR
Stiren-butadien ili stiren-butadien kaučuk (SBR) opisuje sintetičke gume koje se dobivaju iz stirena i butadiena. Ojačani stiren-butadien karakteriziran visokom otpornošću na abraziju i dobrim svojstvima protiv starenja. Omjer između stirena i butadiena određuje svojstva polimera: s visokim sadržajem stirena guma postaje tvrđa i manje gumasta.
Ograničenja nearmiranog SBR-a uzrokovana su njegovom malom čvrstoćom bez armature, niskom otpornošću, malom čvrstoćom na trganje (osobito na visokim temperaturama) i lošom prianjanjem. Stoga su potrebna sredstva za ojačavanje i punila za poboljšanje svojstava SBR-a. Na primjer, punila za čađu se jako koriste za čvrstoću i otpornost na abraziju.
stiren
Stiren (C8H8) je poznat 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 prethodnik polistirena i nekoliko kopolimera.
To je derivat benzena i pojavljuje se kao bezbojna uljasta tekućina koja lako isparava. Stiren ima sladak miris, koji se pri visokim koncentracijama pretvara u manje ugodan miris.
U prisutnosti vinilne skupine, stiren tvori polimer. Polimeri na bazi stirena se komercijalno proizvode za dobivanje proizvoda kao što su polistiren, ABS, stiren-butadien (SBR) guma, stiren-butadien lateks, SIS (stiren-izopren-stiren), S-EB-S (stiren-etilen/butilen- stiren), stiren-divinilbenzen (S-DVB), stiren-akrilonitril smola (SAN) i nezasićeni poliesteri koji se koriste u smolama i termoreaktivnim spojevima. Ovi su materijali važne komponente za proizvodnju gume, plastike, izolacije, stakloplastike, cijevi, dijelova automobila i brodova, spremnika za hranu i podloge za tepihe.
Primjene gume
Guma ima mnoge karakteristike materijala kao što su čvrstoća, dugotrajnost, otpornost na vodu i toplinu. Ta svojstva čine gumu vrlo svestranom tako da se koristi u mnogim industrijama. Glavna uporaba gume je u automobilskoj industriji, uglavnom za proizvodnju guma. Daljnje karakteristike poput neklizavosti, mekoće, izdržljivosti i otpornosti čine gumu vrlo čestim kompozitom koji se koristi za proizvodnju cipela, podova, medicinskih i zdravstvenih potrepština, proizvoda za kućanstvo, igračaka, sportskih artikala i mnogih drugih proizvoda od gume.
Nano-aditivi i punila
Punila i aditivi nano veličine u gumama djeluju kao pojačavači i zaštitni agensi za poboljšanje vlačne čvrstoće, otpornosti na abraziju, otpornost na trganje, histerezu i zaštitu od foto- i toplinske degradacije gume.
Silicij
Silicij (SiO2, silicijev dioksid) koristi se u mnogim oblicima kao što je amorfni silicijev dioksid, npr. upareni silicij, silicijev dioksid, istaloženi silicij za poboljšanje karakteristika materijala u pogledu dinamičkih mehaničkih svojstava, otpornosti na toplinsko starenje i morfologije. Spojevi punjeni silicijevim dioksidom pokazuju povećanu viskoznost i gustoću poprečnog povezivanja s povećanjem sadržaja punila. Tvrdoća, modul, vlačna čvrstoća i karakteristike trošenja postupno su se poboljšavale povećanjem količine silicijevog punila.
čađa
Čađa je oblik parakristalnog ugljika s kemisorbiranim kompleksima kisika (kao što su karboksilne, kinonske, laktonske, fenolne skupine i druge) vezane na njegovu površinu. Ove površinske skupine kisika obično se grupiraju pod pojmom “hlapljivi kompleksi”. Zbog ovog hlapljivog sadržaja, čađa je nevodljivi materijal. S funkcionaliziranim kompleksima ugljik-kisik čestice čađe se lakše raspršuju.
Visoki omjer površine i volumena čađe čini je uobičajenim punilom za pojačanje. Gotovo svi gumeni proizvodi, za koje su vlačna čvrstoća i otpornost na habanje bitni, koriste čađu. Taloženi ili upareni silicij koristi se kao zamjena za čađu, kada je potrebno ojačanje gume, ali treba izbjegavati crnu boju. Međutim, punila na bazi silicijevog dioksida također dobivaju tržišni udio u automobilskim gumama, jer upotreba punila silicijevog dioksida rezultira manjim gubicima pri kotrljanju u usporedbi s gumama punjenim čađom.
Tablica u nastavku daje pregled vrsta čađe koje se koriste u gumama
Ime | Skraćeno. | astm | Veličina čestica nm | Vlačna čvrstoća MPa | Relativna laboratorijska abrazija | Relativna abrazija cestovne odjeće |
---|---|---|---|---|---|---|
Super abrazivna peć | SAF | N110 | 20–25 (prikaz, stručni). | 25.2 | 1.35 | 1.25 |
Srednji SAF | ISAF | N220 | 24–33 (prikaz, stručni). | 23.1 | 1.25 | 1.15 |
Peć visoke abrazije | HAF | N330 | 28–36 (prikaz, stručni). | 22.4 | 1,00 | 1,00 |
Kanal za jednostavnu obradu | EPC | N300 | 30–35 (prikaz, stručni). | 21.7 | 0.80 | 0.90 |
Peć za brzo ekstrudiranje | FEF | N550 | 39–55 (prikaz, ostalo). | 18.2 | 0.64 | 0.72 |
Peć visokog modula | HMF | N660 | 49–73 (prikaz, stručni). | 16.1 | 0.56 | 0.66 |
Peć za poluarmiranje | SRF | N770 | 70–96 (prikaz, stručni). | 14.7 | 0.48 | 0.60 |
Fine Thermal | FT | N880 | 180–200 (prikaz, stručni). | 12.6 | 0.22 | – |
Srednje toplinski | MT | N990 | 250–350 (prikaz, stručni). | 9.8 | 0.18 | – |
grafen oksid
Grafen oksid raspršen u SBR-u rezultira visokom vlačnom čvrstoćom i čvrstoćom na trganje, kao i izvanrednom otpornošću na trošenje i malim otporom kotrljanja, što su važna svojstva materijala za proizvodnju guma. SBR ojačan grafen oksidom i silicijem nudi konkurentnu alternativu za ekološki prihvatljivu proizvodnju guma, kao i za proizvodnju gumenih kompozita visokih performansi. Grafen i grafen oksid mogu se uspješno, pouzdano i jednostavno oljuštiti sonikacijom. Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnoj proizvodnji grafena!