Erősített kompozitok ultrahangos előállítása
- A kompozitok egyedülálló anyagtulajdonságokkal rendelkeznek, például jelentősen jobb hőstabilitással, rugalmassági modulusszal, szakítószilárdsággal és törési szilárdsággal, ezért széles körben használják őket különféle termékek gyártásában.
- Az ultrahangos kezelés bizonyítottan kiváló minőségű nanokompozitokat eredményez, amelyekben a szén nanocsövek (CNT-k), a grafén stb. nagyfokú diszpergáltságot mutatnak.
- Az erősített kompozitok előállítására szolgáló ultrahangos berendezések ipari méretekben is rendelkezésre állnak.
Nanokompozitok
A nanokompozitok mechanikai, elektromos, termikus, optikai, elektrokémiai és/vagy katalitikus tulajdonságaikkal tűnnek ki.
Az erősítő fázis kivételesen nagy felület–térfogat arányának és/vagy kivételesen nagy oldalarányának köszönhetően a nanokompozitok jelentősen nagyobb teljesítményt nyújtanak, mint a hagyományos kompozitok. Erősítésre gyakran használnak nanorészecskéket, például gömb alakú szilícium-dioxidot, ásványi lemezeket, például exfoliált grafént vagy agyagot, illetve nanoszálakat, például szén nanocsöveket vagy elektrosztatikus szálképzéssel előállított szálakat.
Például szén nanocsöveket adnak hozzá az elektromos és hővezető képesség javítására, míg nanoszilícium-dioxidot a mechanikai és termikus tulajdonságok, valamint a vízállóság javítására használnak. Más típusú nanorészecskék jobb optikai tulajdonságokat, dielektromos tulajdonságokat, hőállóságot vagy mechanikai tulajdonságokat biztosítanak, például nagyobb merevséget, szilárdságot, valamint korrózióval és károsodással szembeni ellenállást.
Példák ultrahanggal előállított nanokompozitokra:
- szén nanocsövek (CNT) vinilészter-mátrixban
- CNT-k / szén nanohagymák / nanogyémántok nikkel fémmátrixban
- CNT-k magnéziumötvözet-mátrixban
- CNT-k poli(vinil-alkohol) (PVA) mátrixban
- többfalú szén nanocső (MWCNT) epoxigyanta-mátrixban (metil-tetrahidroftálsav-anhidrid (MTHPA) térhálósító szerként történő alkalmazásával)
- grafén-oxid poli(vinil-alkohol) (PVA) mátrixban
- SiC-nanorészecskék magnéziummátrixban
- nanoszilícium-dioxid (Aerosil) polisztirolmátrixban
- mágneses vas-oxid rugalmas poliuretán (PU) mátrixban
- nikkel-oxid grafit/poli(vinil-klorid) közegben
- titán-dioxid-nanorészecskék poli(tejsav-ko-glikolsav) (PLGA) mátrixban
- nanohidroxiapatit poli(tejsav-ko-glikolsav) (PLGA) mátrixban
Ultrahangos diszpergálás
Az ultrahangos folyamat paraméterei pontosan szabályozhatók, és optimálisan az anyagösszetételhez és a kívánt végtermékminőséghez igazíthatók. Az ultrahangos diszpergálás az ajánlott technika a nanorészecskék, például a CNT-k vagy a grafén nanokompozitokba történő beépítésére. A nanokompozitok ultrahangos diszpergálása és előállítása jól bevált módszer, amelyet tudományos szinten hosszú ideje vizsgálnak, és számos ipari gyártóüzemben alkalmaznak. A Hielscher nanoanyagok ultrahangos feldolgozásában szerzett hosszú tapasztalata alapos tanácsadást, megfelelő ultrahangos berendezéskonfiguráció ajánlását, valamint a folyamatfejlesztés és -optimalizálás során nyújtott segítséget biztosít.
Az erősítő nanorészecskéket többnyire a feldolgozás során diszpergálják a mátrixban. A hozzáadott nanoanyag tömegszázaléka (tömeghányada) az alacsony tartományba esik, például 0,5% és 5% közé, mivel az ultrahangos kezeléssel elért egyenletes diszpergálás lehetővé teszi az erősítő töltőanyagok mennyiségének csökkentését és a nagyobb erősítőhatást.
Az ultrahang egyik tipikus gyártási alkalmazása a nanorészecske–gyanta kompozitok előállítása. A CNT-vel erősített vinilészter előállításakor ultrahangos kezelést használnak a CNT-k diszpergálására és funkcionalizálására. Ezeket a CNT–vinilészter kompozitokat jobb elektromos és mechanikai tulajdonságok jellemzik.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a CNT-k diszpergálásáról!
Grafén
A grafén kivételes fizikai tulajdonságokkal, nagy oldalaránnyal és kis sűrűséggel rendelkezik. A grafént és a grafén-oxidot kompozitmátrixba építik be, hogy könnyű, nagy szilárdságú polimereket kapjanak. A mechanikai erősítés eléréséhez a grafénlemezeket / lemezkéket nagyon finoman kell diszpergálni, mivel az agglomerálódott grafénlemezek drasztikusan korlátozzák az erősítőhatást.
Tudományos kutatások kimutatták, hogy a javulás mértéke főként a grafénlemezek mátrixon belüli diszpergáltságának fokától függ. Csak a homogénen diszpergált grafén biztosítja a kívánt hatásokat. Erős hidrofób jellege és a van der Waals-vonzás miatt a grafén hajlamos aggregálódni és agglomerálódni, így gyengén kölcsönható egyrétegű lemezekből álló pelyheket képez.
Míg a szokásos diszpergálási technikákkal gyakran nem állíthatók elő homogén, sértetlen graféndiszperziók, a nagy teljesítményű ultrahangos készülékek kiváló minőségű graféndiszperziókat hoznak létre. A Hielscher ultrahangos készülékei problémamentesen kezelik a módosítatlan grafént, a grafén-oxidot és a redukált grafén-oxidot, az alacsonytól a magas koncentrációig, illetve a kis térfogatoktól a nagyokig. Gyakran használt oldószer az N-metil-2-pirrolidon (NMP), de nagy teljesítményű ultrahanggal a grafén még gyenge, alacsony forráspontú oldószerekben is diszpergálható, például acetonban, kloroformban, IPA-ban és ciklohexanonban.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a grafén nagy mennyiségű exfoliálásáról!
Szén nanocsövek és egyéb nanoanyagok
A nagy teljesítményű ultrahang bizonyítottan finom részecskeméretű diszperziókat eredményez különféle nanoanyagokból, többek között a következőkből: szén nanocsövek (CNT-k), SWNT-k, MWNT-k, fullerének, szilícium-dioxid (SiO2), titán-dioxid (TiO2), ezüst (Ag), cink-oxid (ZnO), nanofibrillált cellulóz és sok más anyag. Általánosságban az ultrahangos kezelés felülmúlja a hagyományos diszpergálóberendezéseket, és egyedülálló eredményeket érhet el.
A nanorészecskék őrlése és diszpergálása mellett kiváló eredmények érhetők el nanorészecskék ultrahangos kicsapatással történő szintézisével is (alulról építkező szintézis). Megfigyelték, hogy például az ultrahanggal szintetizált magnetit, nátrium-cink-molibdát és más anyagok részecskemérete kisebb, mint a hagyományos módszerrel előállítottaké. A kisebb méretet az ultrahangos kavitáció által létrehozott nyírás és turbulencia következtében megnövekedett magképződési sebességnek és jobb keveredési viszonyoknak tulajdonítják.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni az ultrahangos, alulról építkező kicsapatásról!
Részecskék ultrahangos funkcionalizálása
A részecskék fajlagos felülete méretük csökkenésével növekszik. Különösen a nanotechnológiában az anyagtulajdonságok érvényesülését jelentősen fokozza a részecskék megnövekedett felülete. A felület ultrahanggal növelhető és módosítható, megfelelő funkcionális molekulák részecskefelülethez kapcsolásával. A nanoanyagok alkalmazása és felhasználása szempontjából a felületi tulajdonságok ugyanolyan fontosak, mint a részecskemag tulajdonságai.
Az ultrahanggal funkcionalizált részecskéket széles körben használják polimerekben, kompozitokban és biokompozitokban, nanofolyadékokban, összeállított eszközökben, nanogyógyszerekben stb. A részecskék funkcionalizálása drasztikusan javítja az olyan jellemzőket, mint a stabilitás, a szilárdság és a merevség, az oldhatóság, a polidiszperzitás, a fluoreszcencia, a mágnesség, a szuperparamágnesség, az optikai abszorpció, a nagy elektronsűrűség, a fotolumineszcencia stb.
A Hielscher ultrahangos rendszereivel kereskedelmi célra gyakran funkcionalizált részecskék közé tartoznak a következők: CNT-k, SWNT-k, MWNT-k, grafén, grafit, szilícium-dioxid (SiO2), nanogyémántok, magnetit (vas-oxid, Fe3O4), ezüst-nanorészecskék, arany-nanorészecskék, porózus és mezopórusos nanorészecskék stb.
Kattintson ide a részecskék ultrahangos kezelésével kapcsolatos válogatott alkalmazási ismertetők megtekintéséhez!
Ultrahangos diszpergálóberendezések
A Hielscher ultrahangos diszpergálóberendezései laboratóriumi, asztali és ipari gyártási alkalmazásokhoz is rendelkezésre állnak. A Hielscher ultrahangos készülékei megbízhatók, robusztusak, könnyen kezelhetők és tisztíthatók. A berendezéseket folyamatos, 24/7 üzemre tervezték, nagy igénybevétellel járó körülmények között. Az ultrahangos rendszerek szakaszos és sorba épített feldolgozásra is használhatók – rugalmasak, és könnyen az Ön folyamatához és követelményeihez igazíthatók.
Ultrahangos kapacitások szakaszos és sorba épített feldolgozáshoz
| Sarzs térfogata | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 5–200mL | 50–500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1–2L | 0,25–2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4–10L | 1–8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4–30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | 30m3/hr felett | készülékcsoport: UIP10000 vagy UIP16000 |
Ultrahangos laboratóriumi készülék részecskék funkcionalizálásához
Szakirodalom és hivatkozások
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): „Ultrahanggal előállított nátrium-cink-molibdát nanopigment korróziógátló teljesítményének vizsgálata kétkomponensű epoxi-poliamid bevonatban. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833–852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Újszerű mágneses poliuretánhab-nanokompozitok előállítása mag–héj nanorészecskék felhasználásával. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Grafén-oxid–polisztirol kompozitanyag előállítása. 3. nemzetközi környezetvédelmi, kémiai és biológiai konferencia. IPCBEE vol.78, 2014.
Hasznos tudnivalók
A kompozitanyagokról
A kompozitanyagokat (más néven összetett anyagokat) két vagy több összetevőből álló anyagként írják le, amelynek összetevőit jelentősen eltérő fizikai vagy kémiai tulajdonságok jellemzik. Ezen alkotóanyagok egyesítésekor új anyag – az úgynevezett kompozit – keletkezik, amely az egyes összetevőkétől eltérő jellemzőket mutat. Az egyes összetevők a kész szerkezeten belül különállók és megkülönböztethetők maradnak.
Az új anyag jobb tulajdonságokkal rendelkezik, például erősebb, könnyebb, ellenállóbb vagy olcsóbb a hagyományos anyagokhoz képest. A nanokompozitok tulajdonságainak javulása a mechanikai, elektromos / vezetési, termikus, optikai és elektrokémiai tulajdonságoktól a katalitikus tulajdonságokig terjed.
A tipikus, tervezett kompozitanyagok közé tartoznak:
- biokompozitok
- erősített műanyagok, például szálerősítésű polimerek
- fémkompozitok
- kerámiakompozitok (kerámiamátrixú és fémmátrixú kompozitok)
A kompozitanyagokat általában építési és szerkezeti anyagokként használják, például hajótestekben, munkalapokban, autókarosszériákban, fürdőkádakban, tárolótartályokban, gránitutánzatokban és műmárvány mosdókagylókban, valamint űreszközökben és repülőgépekben.
A kompozitok más fémeket erősítő fémszálakat is tartalmazhatnak, mint a fémmátrixú kompozitok (MMC) vagy a kerámiamátrixú kompozitok (CMC) esetében, amelyek közé tartozik a csont (kollagénszálakkal erősített hidroxiapatit), a cermet (kerámia és fém) és a beton.
A szerves mátrixú/kerámia adalékanyagos kompozitok közé tartozik az aszfaltbeton, a polimerbeton, az öntött aszfalt, a mastic roller hybrid, a fogászati kompozit, a szintaktikus hab és a gyöngyház.
Az ultrahang részecskékre gyakorolt hatásairól
A részecskék tulajdonságai akkor figyelhetők meg, amikor a részecskeméret egy meghatározott szintre csökken (ezt kritikus méretnek nevezik). Amikor a részecskék mérete eléri a nanométeres tartományt, a fázishatárokon fellépő kölcsönhatások nagymértékben javulnak, ami döntő jelentőségű az anyagjellemzők javítása szempontjából. Ezért a nanokompozitokban erősítésre használt anyagok felület : térfogat aránya a legjelentősebb tényező. A nanokompozitok technológiai és gazdasági előnyöket kínálnak az ipar szinte minden ágazatában, beleértve a repülőgép- és űripart, az autóipart, az elektronikai, biotechnológiai, gyógyszeripari és orvosi ágazatokat. További nagy előnyük a környezetbarát jellegük.
A nagy teljesítményű ultrahang javítja a nedvesíthetőséget és a mátrix és a részecskék közötti homogenizálást intenzív keverő és diszpergáló hatásával, amelynek forrása az ultrahangos kavitáció. Mivel a nanoanyagok esetében az ultrahangos kezelés a legszélesebb körben használt és legsikeresebb diszpergálási módszer, a Hielscher ultrahangos rendszerei világszerte megtalálhatók laboratóriumokban, kísérleti üzemekben és gyártóüzemekben.