Formulasi Ultrasonik Komposit yang Diperkuat
- Komposit memiliki sifat material yang unik, seperti stabilitas termal, modulus elastisitas, kekuatan tarik, dan kekuatan patah yang meningkat secara signifikan, sehingga banyak digunakan dalam pembuatan beragam produk.
- Sonikasi terbukti menghasilkan nanokomposit berkualitas tinggi dengan CNT, grafena, dan sebagainya yang terdispersi secara merata.
- Peralatan ultrasonik untuk formulasi komposit yang diperkuat tersedia pada skala industri.
Nanokomposit
Nanokomposit unggul berkat sifat mekanis, listrik, termal, optik, elektrokimia, dan/atau katalitiknya.
Berkat rasio luas permukaan terhadap volume fase penguat yang sangat tinggi dan/atau rasio aspek yang sangat tinggi, nanokomposit memiliki kinerja yang jauh lebih baik daripada komposit konvensional. Nanopartikel seperti silika berbentuk bola, lembaran mineral seperti grafena atau lempung yang dieksfoliasi, atau nanoserat seperti nanotabung karbon atau serat hasil pemintalan elektro sering digunakan sebagai penguat.
Sebagai contoh, nanotabung karbon ditambahkan untuk meningkatkan konduktivitas listrik dan termal, sedangkan nanosilika digunakan untuk meningkatkan sifat mekanis, termal, dan ketahanan terhadap air. Jenis nanopartikel lainnya meningkatkan sifat optik, sifat dielektrik, ketahanan panas, atau sifat mekanis seperti kekakuan, kekuatan, serta ketahanan terhadap korosi dan kerusakan.
Contoh nanokomposit yang diformulasikan secara ultrasonik:
- nanotabung karbon (CNT) dalam matriks vinil ester
- CNT / karbon berstruktur bawang / nanointan dalam matriks logam nikel
- CNT dalam matriks paduan magnesium
- CNT dalam matriks polivinil alkohol (PVA)
- nanotabung karbon berdinding banyak (MWCNT) dalam matriks resin epoksi (menggunakan metil tetrahidroftalat anhidrida (MTHPA) sebagai bahan pengeras)
- grafena oksida dalam matriks poli(vinil alkohol) (PVA)
- nanopartikel SiC dalam matriks magnesium
- nanosilika (Aerosil) dalam matriks polistirena
- oksida besi magnetik dalam matriks poliuretan (PU) fleksibel
- nikel oksida dalam grafit/poli(vinil klorida)
- nanopartikel titania dalam matriks poli(asam laktat-ko-glikolat) (PLGA)
- nanohidroksiapatit dalam matriks poli(asam laktat-ko-glikolat) (PLGA)
Dispersi Ultrasonik
Parameter proses ultrasonik dapat dikendalikan secara tepat dan disesuaikan secara optimal dengan komposisi material serta kualitas hasil yang diinginkan. Dispersi ultrasonik merupakan teknik yang direkomendasikan untuk memasukkan nanopartikel seperti CNT atau grafena ke dalam nanokomposit. Telah lama diuji secara ilmiah dan diterapkan di banyak fasilitas produksi industri, dispersi dan formulasi nanokomposit secara ultrasonik merupakan metode yang sudah mapan. Pengalaman panjang Hielscher dalam pemrosesan ultrasonik nanomaterial memastikan tersedianya konsultasi mendalam, rekomendasi konfigurasi ultrasonik yang sesuai, serta bantuan selama pengembangan dan optimalisasi proses.
Umumnya, nanopartikel penguat didispersikan ke dalam matriks selama pemrosesan. Persentase berat (fraksi massa) nanomaterial yang ditambahkan berada pada kisaran rendah, misalnya 0,5% hingga 5%, karena dispersi seragam yang dicapai melalui sonikasi memungkinkan penghematan bahan pengisi penguat dan kinerja penguatan yang lebih tinggi.
Salah satu aplikasi umum ultrasonik dalam manufaktur adalah formulasi komposit nanopartikel-resin. Untuk menghasilkan vinil ester yang diperkuat CNT, sonikasi digunakan untuk mendispersikan dan memfungsionalisasi CNT. CNT-vinil ester ini memiliki sifat listrik dan mekanis yang lebih baik.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang dispersi CNT!
Nanopartikel yang difungsionalisasi secara ultrasonik
Perangkat ultrasonik UIP1500hd dengan reaktor aliran kontinu
Grafena
Grafena memiliki sifat fisik yang luar biasa, rasio aspek yang tinggi, dan densitas yang rendah. Grafena dan grafena oksida diintegrasikan ke dalam matriks komposit untuk memperoleh polimer yang ringan dan berkekuatan tinggi. Untuk mencapai penguatan mekanis, lembaran / platelet grafena harus didispersikan dengan sangat halus, karena lembaran grafena yang teraglomerasi sangat membatasi efek penguatan.
Penelitian ilmiah menunjukkan bahwa besarnya peningkatan terutama bergantung pada tingkat dispersi lembaran grafena dalam matriks. Hanya grafena yang terdispersi secara homogen yang memberikan efek yang diinginkan. Karena hidrofobisitasnya yang kuat dan gaya tarik van der Waals, grafena cenderung beragregasi dan beraglomerasi menjadi serpihan yang terdiri atas lembaran satu lapis yang berinteraksi lemah.
Sementara teknik dispersi umum sering kali tidak dapat menghasilkan dispersi grafena yang homogen tanpa kerusakan, sonikator berdaya tinggi menghasilkan dispersi grafena berkualitas tinggi. Sonikator Hielscher menangani grafena murni, grafena oksida, dan grafena oksida tereduksi dari konsentrasi rendah hingga tinggi serta dari volume kecil hingga besar tanpa kesulitan. Pelarut yang umum digunakan adalah N-metil-2-pirolidon (NMP), tetapi dengan ultrasonik berdaya tinggi, grafena bahkan dapat didispersikan dalam pelarut dengan kemampuan pelarutan rendah dan titik didih rendah seperti aseton, kloroform, IPA, dan sikloheksanon.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang eksfoliasi grafena dalam jumlah besar!
Nanotabung Karbon dan Nanomaterial Lainnya
Ultrasonik berdaya tinggi terbukti menghasilkan dispersi berukuran halus dari berbagai nanomaterial, termasuk nanotabung karbon (CNT), SWNT, MWNT, fulerena, silika (SiO2), titanium dioksida (TiO2), perak (Ag), seng oksida (ZnO), selulosa ternanofibrilasi, dan banyak lainnya. Secara umum, sonikasi mengungguli alat pendispersi konvensional dan dapat mencapai hasil yang unik.
Selain melalui penggilingan dan pendispersian nanopartikel, hasil yang sangat baik juga dicapai dengan menyintesis nanopartikel melalui presipitasi ultrasonik (sintesis bottom-up). Telah diamati bahwa ukuran partikel, misalnya magnetit, natrium seng molibdat, dan bahan lainnya yang disintesis secara ultrasonik, lebih kecil dibandingkan dengan ukuran yang diperoleh menggunakan metode konvensional. Ukuran yang lebih kecil ini disebabkan oleh peningkatan laju nukleasi dan pola pencampuran yang lebih baik akibat gaya geser dan turbulensi yang dihasilkan oleh kavitasi ultrasonik.
Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang presipitasi bottom-up ultrasonik!
Fungsionalisasi Partikel secara Ultrasonik
Luas permukaan spesifik suatu partikel meningkat seiring berkurangnya ukuran. Khususnya dalam nanoteknologi, karakteristik material menjadi jauh lebih nyata dengan bertambahnya luas permukaan partikel. Luas permukaan dapat ditingkatkan dan dimodifikasi secara ultrasonik dengan melekatkan molekul fungsional yang sesuai pada permukaan partikel. Dalam penerapan dan penggunaan nanomaterial, sifat permukaan sama pentingnya dengan sifat inti partikel.
Partikel yang difungsionalisasi secara ultrasonik banyak digunakan dalam polimer, komposit & biokomposit, nanofluida, perangkat rakitan, nanoobat, dan sebagainya. Melalui fungsionalisasi partikel, karakteristik seperti stabilitas, kekuatan & kekakuan, kelarutan, polidispersitas, fluoresensi, magnetisme, superparamagnetisme, absorpsi optik, densitas elektron tinggi, fotoluminesensi, dan sebagainya meningkat secara drastis.
Partikel umum yang difungsionalisasi secara komersial dengan sistem ultrasonik Hielscher meliputi CNT, SWNT, MWNT, grafena, grafit, silika (SiO2), nanointan, magnetit (oksida besi, Fe3O4), nanopartikel perak, nanopartikel emas, nanopartikel berpori & mesopori, dan sebagainya.
Klik di sini untuk melihat catatan aplikasi pilihan tentang perlakuan partikel secara ultrasonik!
Alat Pendispersi Ultrasonik
Peralatan pendispersi ultrasonik Hielscher tersedia untuk laboratorium, penggunaan di atas meja, dan produksi industri. Sonikator Hielscher andal, tangguh, serta mudah dioperasikan dan dibersihkan. Peralatan ini dirancang untuk pengoperasian 24/7 dalam kondisi kerja berat. Sistem ultrasonik dapat digunakan untuk pemrosesan batch dan inline – fleksibel dan mudah disesuaikan dengan proses serta kebutuhan Anda.
Kapasitas Ultrasonik untuk Batch dan Inline
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 5 hingga 200mL | 50 hingga 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 hingga 2L | 0,25 hingga 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 hingga 10L | 1 hingga 8m3/hr | UIP4000 |
| tidak berlaku | 4 hingga 30m3/hr | UIP16000 |
| tidak berlaku | di atas 30m3/hr | kelompok perangkat UIP10000 atau UIP16000 |
Perangkat ultrasonik laboratorium untuk fungsionalisasi partikel
Literatur/referensi
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Kajian kinerja penghambatan korosi nanopigmen natrium seng molibdat yang disiapkan secara ultrasonik dalam lapisan epoksi-poliamida dua komponen. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, ST; Noruzian, M.(2016): Persiapan nanokomposit busa poliuretan magnetik baru dengan menggunakan nanopartikel inti-cangkang. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Pembuatan Bahan Komposit Grafena Oksida–Polistirena. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.
Fakta yang Perlu Diketahui
Tentang Material Komposit
Material komposit (juga dikenal sebagai material komposisi) didefinisikan sebagai material yang dibuat dari dua atau lebih bahan penyusun dengan sifat fisik atau kimia yang berbeda secara signifikan. Ketika bahan-bahan penyusun tersebut digabungkan, terbentuk material baru – yang disebut komposit – dengan karakteristik yang berbeda dari masing-masing komponennya. Masing-masing komponen tetap terpisah dan berbeda di dalam struktur akhir.
Material baru tersebut memiliki sifat yang lebih baik, misalnya lebih kuat, lebih ringan, lebih tahan, atau lebih murah dibandingkan dengan material konvensional. Peningkatan sifat nanokomposit mencakup sifat mekanis, listrik / konduktif, termal, optik, elektrokimia, hingga katalitik.
Material komposit rekayasa yang umum meliputi:
- biokomposit
- plastik yang diperkuat, seperti polimer yang diperkuat serat
- komposit logam
- komposit keramik (komposit bermatriks keramik dan bermatriks logam)
Material komposit umumnya digunakan untuk bahan bangunan dan struktur seperti lambung perahu, permukaan meja, bodi mobil, bak mandi, tangki penyimpanan, granit imitasi, dan wastafel marmer buatan, serta dalam wahana antariksa dan pesawat terbang.
Komposit juga dapat menggunakan serat logam untuk memperkuat logam lain, seperti pada komposit bermatriks logam (MMC) atau komposit bermatriks keramik (CMC), yang mencakup tulang (hidroksiapatit yang diperkuat serat kolagen), sermet (keramik dan logam), dan beton.
Komposit bermatriks organik dengan agregat keramik meliputi beton aspal, beton polimer, aspal mastik, mastic roller hybrid, komposit dental, busa sintaktik, dan lapisan mutiara.
Tentang Efek Ultrasonik pada Partikel
Sifat partikel dapat diamati ketika ukuran partikel diperkecil hingga tingkat tertentu (dikenal sebagai ukuran kritis). Ketika dimensi partikel mencapai tingkat nanometer, interaksi pada antarmuka fase meningkat secara signifikan, yang sangat penting untuk meningkatkan karakteristik material. Dengan demikian, rasio luas permukaan : volume material yang digunakan sebagai penguat dalam nanokomposit menjadi sangat penting. Nanokomposit menawarkan keuntungan teknologi dan ekonomi bagi hampir semua sektor industri, termasuk sektor dirgantara, otomotif, elektronik, bioteknologi, farmasi, dan medis. Keuntungan besar lainnya adalah sifatnya yang ramah lingkungan.
Ultrasonik berdaya tinggi meningkatkan keterbasahan dan homogenisasi antara matriks dan partikel melalui pencampuran serta pendispersian intensif – yang dihasilkan oleh kavitasi ultrasonik. Karena sonikasi merupakan metode dispersi yang paling banyak digunakan dan paling berhasil untuk nanomaterial, sistem ultrasonik Hielscher dipasang di laboratorium, fasilitas percontohan, dan fasilitas produksi di seluruh dunia.