Ամրանավորված կոմպոզիտների բաղադրակազմերի ուլտրաձայնային պատրաստում
- Կոմպոզիտներն ունեն նյութերին բնորոշ եզակի հատկություններ, ինչպիսիք են զգալիորեն բարձր ջերմային կայունությունը, առաձգականության մոդուլը, ձգման ամրությունը և կոտրման ամրությունը, ուստի լայնորեն կիրառվում են բազմատեսակ արտադրանքների արտադրության մեջ։
- Ապացուցված է, որ ուլտրաձայնային մշակմամբ ստացվում են բարձրորակ նանոկոմպոզիտներ՝ խիստ դիսպերսված ածխածնային նանոխողովակներով (CNT), գրաֆենով և այլն։
- Ամրանավորված կոմպոզիտների բաղադրակազմերի պատրաստման ուլտրաձայնային սարքավորումները հասանելի են արդյունաբերական մասշտաբով։
Նանոկոմպոզիտներ
Նանոկոմպոզիտներն աչքի են ընկնում իրենց մեխանիկական, էլեկտրական, ջերմային, օպտիկական, էլեկտրաքիմիական և/կամ կատալիտիկ հատկություններով։
Ամրանավորող ֆազի մակերեսի և ծավալի բացառիկ բարձր հարաբերակցության և/կամ իրենց երկրաչափական չափերի բացառիկ բարձր հարաբերակցության շնորհիվ նանոկոմպոզիտները զգալիորեն ավելի արդյունավետ են, քան սովորական կոմպոզիտները։ Ամրանավորման համար հաճախ օգտագործվում են նանոմասնիկներ, օրինակ՝ գնդաձև սիլիցիումի երկօքսիդ, հանքային թիթեղներ, օրինակ՝ շերտազատված գրաֆեն կամ կավ, կամ նանոմանրաթելեր, օրինակ՝ ածխածնային նանոխողովակներ կամ էլեկտրամանմամբ ստացված մանրաթելեր։
Օրինակ՝ ածխածնային նանոխողովակներն ավելացվում են էլեկտրական և ջերմային հաղորդականությունը բարելավելու համար, իսկ նանոչափ սիլիցիումի երկօքսիդն օգտագործվում է մեխանիկական, ջերմային և ջրակայունության հատկությունները բարելավելու համար։ Նանոմասնիկների այլ տեսակներ ապահովում են բարելավված օպտիկական հատկություններ, դիէլեկտրական հատկություններ, ջերմակայունություն կամ մեխանիկական հատկություններ, ինչպիսիք են կոշտությունը, ամրությունը և կոռոզիայի ու վնասումների նկատմամբ դիմադրությունը։
Ուլտրաձայնային եղանակով պատրաստված նանոկոմպոզիտների օրինակներ՝
- ածխածնային նանոխողովակներ (CNT)՝ վինիլէսթերային մատրիցում
- ածխածնային նանոխողովակներ (CNT) / սոխանման ածխածնային կառուցվածքներ / նանոալմաստներ՝ մետաղական նիկելի մատրիցում
- ածխածնային նանոխողովակներ (CNT)՝ մագնեզիումի համաձուլվածքի մատրիցում
- ածխածնային նանոխողովակներ (CNT)՝ պոլիվինիլսպիրտի (PVA) մատրիցում
- բազմապատ ածխածնային նանոխողովակ (MWCNT)՝ էպօքսիդային խեժի մատրիցում (որպես կարծրացուցիչ օգտագործելով մեթիլտետրահիդրոֆթալային անհիդրիդ (MTHPA))
- գրաֆենի օքսիդ՝ պոլի(վինիլսպիրտի) (PVA) մատրիցում
- SiC նանոմասնիկներ՝ մագնեզիումի մատրիցում
- նանոչափ սիլիցիումի երկօքսիդ (Aerosil)՝ պոլիստիրոլի մատրիցում
- երկաթի մագնիսական օքսիդ՝ ճկուն պոլիուրեթանի (PU) մատրիցում
- նիկելի օքսիդ՝ գրաֆիտի/պոլի(վինիլքլորիդի) մեջ
- տիտանի երկօքսիդի նանոմասնիկներ՝ պոլի(կաթնաթթու-համա-գլիկոլաթթվի) (PLGA) մատրիցում
- նանոչափ հիդրօքսիապատիտ՝ պոլի(կաթնաթթու-համա-գլիկոլաթթվի) (PLGA) մատրիցում
Ուլտրաձայնային դիսպերսում
Ուլտրաձայնային գործընթացի պարամետրերը հնարավոր է ճշգրիտ վերահսկել և օպտիմալ կերպով հարմարեցնել նյութի բաղադրությանը և ստացվող արտադրանքի ցանկալի որակին։ Ուլտրաձայնային դիսպերսումը նանոմասնիկները, օրինակ՝ ածխածնային նանոխողովակները (CNT) կամ գրաֆենը, նանոկոմպոզիտների մեջ ներառելու համար առաջարկվող տեխնիկան է։ Գիտական մակարդակով երկար ժամանակ փորձարկված և բազմաթիվ արդյունաբերական արտադրական ձեռնարկություններում ներդրված՝ նանոկոմպոզիտների ուլտրաձայնային դիսպերսումն ու բաղադրակազմերի պատրաստումը հաստատված մեթոդ են։ Նանոնյութերի ուլտրաձայնային մշակման ոլորտում Hielscher ընկերության երկարամյա փորձն ապահովում է խորքային խորհրդատվություն, համապատասխան ուլտրաձայնային համակարգի առաջարկություն և աջակցություն գործընթացի մշակման ու օպտիմալացման ընթացքում։
Ամրանավորող նանոմասնիկները հիմնականում դիսպերսվում են մատրիցում՝ մշակման ընթացքում։ Ավելացվող նանոնյութի կշռային տոկոսը (զանգվածային բաժինը) ցածր միջակայքում է, օրինակ՝ 0,5% և 5% միջև, քանի որ ուլտրաձայնային մշակմամբ ստացվող համաչափ դիսպերսումը թույլ է տալիս խնայել ամրանավորող լցանյութերը և հասնել ամրանավորման ավելի բարձր արդյունավետության։
Արտադրության մեջ ուլտրաձայնի բնորոշ կիրառություններից մեկը նանոմասնիկ–խեժ կոմպոզիտի բաղադրակազմի պատրաստումն է։ Ածխածնային նանոխողովակներով (CNT) ամրանավորված վինիլէսթեր ստանալու համար ուլտրաձայնային մշակումն օգտագործվում է ածխածնային նանոխողովակները դիսպերսելու և ֆունկցիոնալացնելու նպատակով։ Ածխածնային նանոխողովակ–վինիլէսթեր այս նյութերը բնութագրվում են բարելավված էլեկտրական և մեխանիկական հատկություններով։
Սեղմեք այստեղ՝ ածխածնային նանոխողովակների (CNT) դիսպերսման մասին ավելին կարդալու համար։
Ուլտրաձայնային եղանակով ֆունկցիոնալացված նանոմասնիկ
Ուլտրաձայնային սարք UIP1500hd հոսքային ռեակտորով
Գրաֆեն
Գրաֆենն ունի բացառիկ ֆիզիկական հատկություններ, երկրաչափական չափերի բարձր հարաբերակցություն և ցածր խտություն։ Գրաֆենն ու գրաֆենի օքսիդը ներառվում են կոմպոզիտային մատրիցի մեջ՝ թեթև, բարձր ամրությամբ պոլիմերներ ստանալու համար։ Մեխանիկական ամրացում ապահովելու համար գրաֆենի թերթերը / թիթեղիկները պետք է շատ նուրբ դիսպերսված լինեն, քանի որ ագլոմերացված գրաֆենային թերթերը կտրուկ սահմանափակում են ամրացնող ազդեցությունը։
Գիտական հետազոտությունները ցույց են տվել, որ բարելավման չափը հիմնականում կախված է մատրիցում գրաֆենային թերթերի դիսպերսման աստիճանից։ Միայն համասեռ դիսպերսված գրաֆենն է ապահովում ցանկալի ազդեցությունները։ Իր ուժեղ հիդրոֆոբության և վան դեր Վալսյան ձգողության պատճառով գրաֆենը հակված է ագրեգացվելու և ագլոմերացվելու՝ առաջացնելով միմյանց հետ թույլ փոխազդող միաշերտ թերթերից կազմված փաթիլներ։
Մինչ սովորական դիսպերսման մեթոդները հաճախ չեն կարող ապահովել գրաֆենի համասեռ, չվնասված դիսպերսիաներ, բարձր հզորության ուլտրաձայնային սարքերը ստանում են գրաֆենի բարձրորակ դիսպերսիաներ։ Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային սարքերն առանց դժվարության մշակում են անաղարտ գրաֆենը, գրաֆենի օքսիդը և վերականգնված գրաֆենի օքսիդը՝ ցածրից մինչև բարձր կոնցենտրացիաներով և փոքրից մինչև մեծ ծավալներով։ Հաճախ օգտագործվող լուծիչ է N-մեթիլ-2-պիրոլիդոնը (NMP), սակայն բարձր հզորության ուլտրաձայնի միջոցով գրաֆենը կարող է դիսպերսվել նույնիսկ վատ լուծիչներում, որոնք ունեն ցածր եռման ջերմաստիճան, օրինակ՝ ացետոնում, քլորոֆորմում, IPA լուծիչում և ցիկլոհեքսանոնում։
Սեղմեք այստեղ՝ գրաֆենի զանգվածային շերտազատման մասին ավելին կարդալու համար։
Ածխածնային նանոխողովակներ և այլ նանոնյութեր
Ապացուցված է, որ հզոր ուլտրաձայնը տալիս է տարբեր նանոնյութերի մանրաչափ դիսպերսիաներ՝ ներառյալ ածխածնային նանոխողովակներ (CNTs), SWNTs, MWNTs, ֆուլերեններ, սիլիցիումի երկօքսիդ (SiO2), տիտանի երկօքսիդ (TiO2), արծաթ (Ag), ցինկի օքսիդ (ZnO), նանոֆիբրիլացված ցելյուլոզ և բազմաթիվ այլ նյութեր։ Ընդհանուր առմամբ, ուլտրաձայնային մշակումը գերազանցում է սովորական դիսպերսիչներին և կարող է ապահովել եզակի արդյունքներ։
Նանոմասնիկների մանրացումից և դիսպերսումից բացի, գերազանց արդյունքներ են ստացվում նանոմասնիկների սինթեզման ժամանակ՝ ուլտրաձայնային նստեցման միջոցով («ներքևից վերև» սինթեզ)։ Դիտարկվել է, որ, օրինակ, ուլտրաձայնով սինթեզված մագնետիտի, նատրիումի ցինկի մոլիբդատի և այլ նյութերի մասնիկների չափն ավելի փոքր է, քան սովորական մեթոդով ստացվածներինը։ Փոքր չափը պայմանավորված է բյուրեղացման սաղմերի առաջացման արագության աճով և ավելի լավ խառնմամբ՝ ուլտրաձայնային կավիտացիայի առաջացրած սահքի և տուրբուլենտության շնորհիվ։
Սեղմեք այստեղ՝ «ներքևից վերև» սկզբունքով ուլտրաձայնային նստեցման մասին ավելին իմանալու համար։
Մասնիկների ուլտրաձայնային ֆունկցիոնալացում
Մասնիկի տեսակարար մակերեսը մեծանում է չափի նվազման հետ։ Հատկապես նանոտեխնոլոգիայում նյութի բնութագրերի դրսևորումը զգալիորեն ուժեղանում է մասնիկի մակերեսի մեծացման շնորհիվ։ Մակերեսը կարելի է մեծացնել և փոփոխել ուլտրաձայնային եղանակով՝ մասնիկի մակերեսին համապատասխան ֆունկցիոնալ մոլեկուլներ միացնելով։ Նանոնյութերի կիրառման և օգտագործման առումով մակերեսային հատկությունները նույնքան կարևոր են, որքան մասնիկի միջուկի հատկությունները։
Ուլտրաձայնային եղանակով ֆունկցիոնալացված մասնիկները լայնորեն օգտագործվում են պոլիմերներում, կոմպոզիտներում և կենսակոմպոզիտներում, նանոհեղուկներում, հավաքված սարքերում, նանոդեղամիջոցներում և այլն։ Մասնիկների ֆունկցիոնալացման միջոցով կտրուկ բարելավվում են այնպիսի բնութագրեր, ինչպիսիք են կայունությունը, ամրությունն ու կոշտությունը, լուծելիությունը, պոլիդիսպերսությունը, ֆլուորեսցենցիան, մագնիսականությունը, գերպարամագնիսականությունը, օպտիկական կլանումը, էլեկտրոնային բարձր խտությունը, ֆոտոլյումինեսցենցիան և այլն։
Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային համակարգերով առևտրային մասշտաբով ֆունկցիոնալացվող տարածված մասնիկների շարքում են CNTs, SWNTs, MWNTs, գրաֆենը, գրաֆիտը, սիլիցիումի երկօքսիդը (SiO2), նանոադամանդները, մագնետիտը (երկաթի օքսիդ, Fe3O4), արծաթի նանոմասնիկները, ոսկու նանոմասնիկները, ծակոտկեն և մեզոծակոտկեն նանոմասնիկները և այլն։
Սեղմեք այստեղ՝ մասնիկների ուլտրաձայնային մշակման կիրառությունների վերաբերյալ ընտրված նյութերը դիտելու համար։
Ուլտրաձայնային դիսպերսիչներ
Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային դիսպերգացման սարքավորումները հասանելի են լաբորատոր, լաբորատոր սեղանի վրա կատարվող և արդյունաբերական արտադրության համար։ Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային սարքերը հուսալի են, ամուր, հեշտ շահագործվող և մաքրվող։ Սարքավորումները նախատեսված են ծանր աշխատանքային պայմաններում 24/7 շահագործման համար։ Ուլտրաձայնային համակարգերը կարող են օգտագործվել խմբաքանակային և հոսքագծային մշակման համար՝ ճկունորեն և հեշտությամբ հարմարեցվելով ձեր գործընթացին ու պահանջներին։
Խմբաքանակային և հոսքագծային ուլտրաձայնային մշակման արտադրողականությունը
| Խմբաքանակի ծավալը | Ծավալային հոսքի արագությունը | Առաջարկվող սարքերը |
|---|---|---|
| 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. | ավելի քան 30m3/hr | սարքերի խումբ՝ UIP10000 կամ UIP16000 |
Ուլտրաձայնային լաբորատոր սարք՝ մասնիկների ֆունկցիոնալացման համար
Գրականություն/հղումներ
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Ուլտրաձայնային եղանակով պատրաստված նատրիումի ցինկի մոլիբդատի նանոգունանյութի՝ կոռոզիան արգելակելու արդյունավետության ուսումնասիրությունը երկբաղադրիչ էպօքսի-պոլիամիդային ծածկույթում։ Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Նոր մագնիսական պոլիուրեթանային փրփուրի նանոկոմպոզիտների պատրաստումը միջուկ–թաղանթ կառուցվածքով նանոմասնիկների օգտագործմամբ։ Polímeros հատոր 26, համար 4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Գրաֆենի օքսիդ–պոլիստիրոլ կոմպոզիտային նյութի պատրաստումը։ Շրջակա միջավայրի, քիմիայի և կենսաբանության 3-րդ միջազգային գիտաժողով։ IPCBEE հատոր 78, 2014.
Փաստեր, որոնք արժե իմանալ
Կոմպոզիտային նյութերի մասին
Կոմպոզիտային նյութերը (հայտնի են նաև որպես բաղադրյալ նյութեր) նկարագրվում են որպես երկու կամ ավելի բաղադրիչներից պատրաստված նյութեր, որոնց բաղադրիչներն ունեն էապես տարբեր ֆիզիկական կամ քիմիական հատկություններ։ Երբ այդ բաղադրիչ նյութերը համակցվում են, ստացվում է նոր նյութ՝ այսպես կոչված կոմպոզիտ, որն ունի առանձին բաղադրիչների հատկություններից տարբերվող բնութագրեր։ Առանձին բաղադրիչները վերջնական կառուցվածքում մնում են առանձնացված և տարբերակելի։
Նոր նյութն ունի ավելի լավ հատկություններ, օրինակ՝ սովորական նյութերի համեմատ այն ավելի ամուր է, թեթև, դիմացկուն կամ պակաս ծախսատար։ Նանոկոմպոզիտների բարելավումները տարածվում են մեխանիկական, էլեկտրական / հաղորդիչ, ջերմային, օպտիկական, էլեկտրաքիմիական և կատալիտիկ հատկությունների վրա։
Նախագծված կոմպոզիտային նյութերի բնորոշ տեսակներն են՝
- կենսակոմպոզիտներ
- ամրանավորված պլաստմասսաներ, օրինակ՝ մանրաթելերով ամրանավորված պոլիմեր
- մետաղական կոմպոզիտներ
- կերամիկական կոմպոզիտներ (կերամիկական մատրիցով և մետաղական մատրիցով կոմպոզիտ)
Կոմպոզիտային նյութերը սովորաբար օգտագործվում են շինարարական և կառուցվածքային նյութերի համար, օրինակ՝ նավակների իրանների, սեղանածածկերի, ավտոմեքենաների թափքերի, լոգարանների, պահեստավորման բաքերի, գրանիտի նմանակների և արհեստական մարմարից լվացարանների, ինչպես նաև տիեզերանավերում և օդանավերում։
Կոմպոզիտներում կարող են օգտագործվել նաև այլ մետաղներ ամրանավորող մետաղական մանրաթելեր, ինչպես մետաղական մատրիցով կոմպոզիտներում (MMC) կամ կերամիկական մատրիցով կոմպոզիտներում (CMC), որոնց թվում են ոսկորը (կոլագենային մանրաթելերով ամրանավորված հիդրօքսիապատիտ), կերմետը (կերամիկա և մետաղ) և բետոնը։
Օրգանական մատրիցով/կերամիկական լցանյութով կոմպոզիտները ներառում են ասֆալտբետոնը, պոլիմերբետոնը, մաստիկային ասֆալտը, mastic roller hybrid, ատամնաբուժական կոմպոզիտը, սինտակտիկ փրփուրը և սադափը։
Մասնիկների վրա ուլտրաձայնային ազդեցությունների մասին
Մասնիկների հատկությունները կարելի է դիտարկել, երբ մասնիկների չափը նվազում է մինչև որոշակի մակարդակ (հայտնի է որպես կրիտիկական չափ)։ Երբ մասնիկների չափերը հասնում են նանոմետրային մակարդակի, փուլերի բաժանման սահմաններում փոխազդեցությունները զգալիորեն բարելավվում են, ինչը վճռորոշ է նյութերի բնութագրերի բարելավման համար։ Այդ առումով առավել նշանակալի է նանոկոմպոզիտներում ամրանավորման համար օգտագործվող նյութերի մակերեսի և ծավալի հարաբերակցությունը։ Նանոկոմպոզիտներն առաջարկում են տեխնոլոգիական և տնտեսական առավելություններ արդյունաբերության գրեթե բոլոր ոլորտների համար, ներառյալ օդատիեզերական, ավտոմոբիլային, էլեկտրոնային, կենսատեխնոլոգիական, դեղագործական և բժշկական ոլորտները։ Եվս մեկ մեծ առավելություն է դրանց էկոլոգիապես բարենպաստ լինելը։
Հզոր ուլտրաձայնը բարելավում է մատրիցի և մասնիկների միջև թրջելիությունն ու հոմոգենացումը ինտենսիվ խառնման և դիսպերգացման միջոցով, որոնց աղբյուրն է ուլտրաձայնային կավիտացիան։ Քանի որ նանոնյութերի դեպքում ուլտրաձայնային մշակումը դիսպերսման ամենալայն կիրառվող և ամենահաջող մեթոդն է, Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային համակարգերը տեղադրված են ամբողջ աշխարհի լաբորատորիաներում, փորձնական կայանքներում և արտադրություններում։