Formulazione a ultrasuoni di compositi rinforzati

I compositi presentano proprietà dei materiali uniche, quali stabilità termica, modulo elastico, resistenza alla trazione e resistenza alla frattura significativamente migliorati, e sono pertanto ampiamente utilizzati nella fabbricazione di molteplici prodotti.
È dimostrato che la sonicazione produce nanocompositi di alta qualità con CNT, grafene ecc. altamente dispersi.
Le apparecchiature a ultrasuoni per la formulazione di compositi rinforzati sono disponibili su scala industriale.

Nanocompositi

I nanocompositi si distinguono per le loro proprietà meccaniche, elettriche, termiche, ottiche, elettrochimiche e/o catalitiche.
Grazie al rapporto superficie/volume eccezionalmente elevato della fase di rinforzo e/o al loro rapporto d’aspetto eccezionalmente elevato, i nanocompositi offrono prestazioni significativamente superiori rispetto ai compositi convenzionali. Per il rinforzo vengono frequentemente utilizzate nanoparticelle come la silice sferica, lamelle minerali come il grafene esfoliato o l’argilla, oppure nanofibre come i nanotubi di carbonio o le fibre elettrofilate.
Ad esempio, i nanotubi di carbonio vengono aggiunti per migliorare la conducibilità elettrica e termica, mentre la nanosilice viene utilizzata per migliorare le proprietà meccaniche, termiche e di resistenza all’acqua. Altri tipi di materiali nanoparticellari migliorano le proprietà ottiche, le proprietà dielettriche, la resistenza al calore o le proprietà meccaniche quali rigidità, resistenza e resistenza alla corrosione e ai danni.

Esempi di nanocompositi formulati mediante ultrasuoni:

nanotubi di carbonio (CNT) in una matrice di vinilestere
CNT / strutture di carbonio a cipolla / nanodiamanti in una matrice metallica di nichel
CNT in una matrice di lega di magnesio
CNT in una matrice di alcol polivinilico (PVA)
nanotubo di carbonio a parete multipla (MWCNT) in una matrice di resina epossidica (utilizzando anidride metiltetraidroftalica (MTHPA) come agente indurente)
ossido di grafene in una matrice di poli(alcol vinilico) (PVA)
nanoparticelle di SiC in una matrice di magnesio
nanosilice (Aerosil) in una matrice di polistirene
ossido di ferro magnetico in una matrice di poliuretano (PU) flessibile
ossido di nichel in grafite/poli(cloruro di vinile)
nanoparticelle di biossido di titanio in una matrice di acido poli(lattico-co-glicolico) (PLGA)
nanoidrossiapatite in una matrice di acido poli(lattico-co-glicolico) (PLGA)

Dispersione a ultrasuoni

I parametri del processo a ultrasuoni possono essere controllati con precisione e adattati in modo ottimale alla composizione del materiale e alla qualità finale desiderata. La dispersione a ultrasuoni è la tecnica raccomandata per incorporare nanoparticelle come CNT o grafene nei nanocompositi. Testata da tempo a livello scientifico e implementata in numerosi impianti di produzione industriale, la dispersione e la formulazione a ultrasuoni dei nanocompositi sono un metodo consolidato. La lunga esperienza di Hielscher nel trattamento a ultrasuoni dei nanomateriali garantisce una consulenza approfondita, la raccomandazione di una configurazione a ultrasuoni adeguata e assistenza durante lo sviluppo e l’ottimizzazione del processo.
Nella maggior parte dei casi, le nanoparticelle di rinforzo vengono disperse nella matrice durante la lavorazione. La percentuale in peso (frazione massica) del nanomateriale aggiunto si colloca nella fascia bassa, ad esempio da 0,5% a 5%, poiché la dispersione uniforme ottenuta mediante sonicazione consente di ridurre la quantità di cariche di rinforzo e di ottenere prestazioni di rinforzo superiori.
Un’applicazione tipica degli ultrasuoni nella produzione è la formulazione di compositi costituiti da nanoparticelle e resina. Per produrre vinilestere rinforzato con CNT, la sonicazione viene utilizzata per disperdere e funzionalizzare i CNT. Questi compositi CNT-vinilestere sono caratterizzati da proprietà elettriche e meccaniche migliorate.
Fai clic qui per saperne di più sulla dispersione dei CNT!

Le particelle inorganiche possono essere funzionalizzate mediante ultrasuoni

Nanoparticella funzionalizzata mediante ultrasuoni

I dispositivi a ultrasuoni per l’impiego da banco e la produzione, come UIP1500hd, soddisfano pienamente gli standard industriali. (Fai clic per ingrandire!)

Dispositivo a ultrasuoni UIP1500hd con reattore a flusso continuo

Grafene

Il grafene offre proprietà fisiche eccezionali, un elevato rapporto d’aspetto e una bassa densità. Il grafene e l’ossido di grafene vengono integrati in una matrice composita per ottenere polimeri leggeri e ad alta resistenza. Per ottenere il rinforzo meccanico, i fogli / le piastrine di grafene devono essere dispersi molto finemente, poiché i fogli di grafene agglomerati limitano drasticamente l’effetto di rinforzo.
La ricerca scientifica ha dimostrato che l’entità del miglioramento dipende principalmente dal grado di dispersione dei fogli di grafene nella matrice. Solo il grafene disperso in modo omogeneo produce gli effetti desiderati. A causa della sua forte idrofobicità e dell’attrazione di van der Waals, il grafene tende ad aggregarsi e ad agglomerarsi in scaglie composte da fogli monostrato che interagiscono debolmente tra loro.
Mentre le comuni tecniche di dispersione spesso non riescono a produrre dispersioni omogenee di grafene non danneggiato, i sonicatori ad alta potenza producono dispersioni di grafene di alta qualità. I sonicatori Hielscher trattano senza difficoltà grafene non modificato, ossido di grafene e ossido di grafene ridotto, da basse ad alte concentrazioni e da piccoli a grandi volumi. Un solvente comunemente utilizzato è l’N-metil-2-pirrolidone (NMP), ma con gli ultrasuoni ad alta potenza il grafene può essere disperso persino in solventi poco efficaci e a basso punto di ebollizione, come acetone, cloroformio, IPA e cicloesanone.
Fai clic qui per saperne di più sull’esfoliazione del grafene in grandi quantità!

Nanotubi di carbonio e altri nanomateriali

È dimostrato che gli ultrasuoni di potenza producono dispersioni fini di vari nanomateriali, tra cui nanotubi di carbonio (CNT), SWNT, MWNT, fullereni, silice (SiO₂), biossido di titanio (TiO₂), argento (Ag), ossido di zinco (ZnO), cellulosa nanofibrillata e molti altri. In generale, la sonicazione supera le prestazioni dei dispersori convenzionali e può ottenere risultati unici.
Oltre alla macinazione e alla dispersione delle nanoparticelle, si ottengono risultati eccellenti sintetizzando nanoparticelle mediante precipitazione a ultrasuoni (sintesi bottom-up). È stato osservato che le dimensioni delle particelle, ad esempio della magnetite, del molibdato di sodio e zinco e di altri materiali sintetizzati mediante ultrasuoni, sono inferiori rispetto a quelle ottenute con il metodo convenzionale. Le dimensioni inferiori sono attribuite alla maggiore velocità di nucleazione e a una migliore miscelazione dovute al taglio e alla turbolenza generati dalla cavitazione ultrasonica.
Fai clic qui per saperne di più sulla precipitazione bottom-up a ultrasuoni!

Funzionalizzazione delle particelle mediante ultrasuoni

La superficie specifica di una particella aumenta al diminuire delle sue dimensioni. Soprattutto nelle nanotecnologie, le caratteristiche del materiale si manifestano in misura significativamente maggiore grazie all’aumento della superficie della particella. La superficie può essere aumentata e modificata mediante ultrasuoni legando molecole funzionali appropriate alla superficie della particella. Per quanto riguarda l’applicazione e l’utilizzo dei nanomateriali, le proprietà superficiali sono altrettanto importanti delle proprietà del nucleo della particella.
Le particelle funzionalizzate mediante ultrasuoni sono ampiamente utilizzate in polimeri, compositi e biocompositi, nanofluidi, dispositivi assemblati, nanomedicinali ecc. Mediante la funzionalizzazione delle particelle, caratteristiche quali stabilità, resistenza e rigidità, solubilità, polidispersità, fluorescenza, magnetismo, superparamagnetismo, assorbimento ottico, elevata densità elettronica, fotoluminescenza ecc. vengono drasticamente migliorate.
Tra le particelle comunemente funzionalizzate su scala commerciale con i sistemi a ultrasuoni Hielscher figurano CNT, SWNT, MWNT, grafene, grafite, silice (SiO₂), nanodiamanti, magnetite (ossido di ferro, Fe₃O₄), nanoparticelle d’argento, nanoparticelle d’oro, nanoparticelle porose e mesoporose ecc.
Fai clic qui per consultare una selezione di note applicative sul trattamento a ultrasuoni delle particelle!

Dispersori a ultrasuoni

Le apparecchiature Hielscher per la dispersione a ultrasuoni sono disponibili per il laboratorio, l’impiego da banco e la produzione industriale. I sonicatori Hielscher sono affidabili, robusti, facili da utilizzare e da pulire. Le apparecchiature sono progettate per funzionare 24/7 in condizioni gravose. I sistemi a ultrasuoni possono essere utilizzati per il trattamento in lotti e in linea – sono flessibili e facilmente adattabili al processo e alle esigenze dell’utente.

Capacità di trattamento a ultrasuoni in lotti e in linea

Volume del lotto	Portata	Dispositivi consigliati
da 5 a 200mL	da 50 a 500mL/min	UP200Ht, UP400S
da 0,1 a 2L	da 0,25 a 2m³/hr	UIP1000hd, UIP2000hd
da 0,4 a 10L	da 1 a 8m³/hr	UIP4000
n.a.	da 4 a 30m³/hr	UIP16000
n.a.	oltre 30m³/hr	gruppo di UIP10000 o UIP16000

Il sonicatore UP200S per la modifica delle particelle e la riduzione delle loro dimensioni (Fai clic per ingrandire!)

Dispositivo a ultrasuoni da laboratorio per la funzionalizzazione delle particelle

Bibliografia e riferimenti

Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Studio delle prestazioni di inibizione della corrosione del nanopigmento di molibdato di sodio e zinco preparato mediante ultrasuoni in un rivestimento epossidico-poliammidico bicomponente. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Preparazione di nuovi nanocompositi magnetici in schiuma poliuretanica utilizzando nanoparticelle core-shell. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Preparazione di un materiale composito di ossido di grafene–polistirene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.

Argomenti correlati

Informazioni utili

Informazioni sui materiali compositi

I materiali compositi (noti anche come materiali di composizione) sono descritti come materiali costituiti da due o più componenti caratterizzati da proprietà fisiche o chimiche significativamente diverse. Quando questi materiali costituenti vengono combinati, si produce un nuovo materiale – il cosiddetto composito – che presenta caratteristiche diverse da quelle dei singoli componenti. I singoli componenti rimangono separati e distinti all’interno della struttura finita.
Il nuovo materiale presenta proprietà migliori: ad esempio, è più resistente, più leggero, più durevole o meno costoso rispetto ai materiali convenzionali. I miglioramenti dei nanocompositi spaziano dalle proprietà meccaniche, elettriche / conduttive, termiche, ottiche ed elettrochimiche a quelle catalitiche.

I tipici materiali compositi ingegnerizzati comprendono:

biocompositi
plastiche rinforzate, come i polimeri rinforzati con fibre
compositi metallici
compositi ceramici (compositi a matrice ceramica e a matrice metallica)

I materiali compositi vengono generalmente utilizzati per materiali da costruzione e strutturali, come scafi di imbarcazioni, piani di lavoro, carrozzerie di automobili, vasche da bagno, serbatoi di stoccaggio, lavelli in finto granito e marmo ricomposto, nonché in veicoli spaziali e aeromobili.

I compositi possono anche utilizzare fibre metalliche per rinforzare altri metalli, come nei compositi a matrice metallica (MMC) o nei compositi a matrice ceramica (CMC), che comprendono l’osso (idrossiapatite rinforzata con fibre di collagene), il cermet (ceramica e metallo) e il calcestruzzo.
I compositi a matrice organica con aggregato ceramico comprendono il conglomerato bituminoso, il calcestruzzo polimerico, l’asfalto colato, mastic roller hybrid, il composito dentale, la schiuma sintattica e la madreperla.

Informazioni sugli effetti degli ultrasuoni sulle particelle

Le proprietà delle particelle possono essere osservate quando le loro dimensioni vengono ridotte a un determinato livello (noto come dimensione critica). Quando le dimensioni delle particelle raggiungono il livello nanometrico, le interazioni alle interfacce tra le fasi migliorano notevolmente, il che è fondamentale per potenziare le caratteristiche dei materiali. Pertanto, il rapporto superficie : volume dei materiali utilizzati per il rinforzo nei nanocompositi è particolarmente significativo. I nanocompositi offrono vantaggi tecnologici ed economici per quasi tutti i settori industriali, compresi quelli aerospaziale, automobilistico, elettronico, biotecnologico, farmaceutico e medico. Un ulteriore grande vantaggio è la loro compatibilità ambientale.
Gli ultrasuoni di potenza migliorano la bagnabilità e l’omogeneizzazione tra la matrice e le particelle grazie all’intensa miscelazione e dispersione – generate dalla cavitazione ultrasonica. Poiché la sonicazione è il metodo di dispersione più utilizzato e più efficace per i nanomateriali, i sistemi a ultrasuoni Hielscher sono installati in laboratori, impianti pilota e impianti di produzione in tutto il mondo.