Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Formulazione ad ultrasuoni di compositi rinforzati

  • I compositi mostrano proprietà uniche del materiale, come una maggiore stabilità termica, modulo elastico, resistenza alla trazione, resistenza alla frattura, e sono quindi ampiamente utilizzati nella fabbricazione di prodotti multistrato.
  • È stato dimostrato che la sonicazione produce nanocompositi di alta qualità con CNT altamente dispersi, grafene ecc.
  • Apparecchiature ad ultrasuoni per la formulazione di compositi rinforzati sono disponibili su scala industriale.

 

nanocompositi

I nanocompositi si distinguono per le loro proprietà meccaniche, elettriche, termiche, termiche, ottiche, elettrochimiche e/o catalitiche.
Grazie al loro rapporto superficie/volume eccezionalmente elevato della fase di rinforzo e/o al loro rapporto di aspetto eccezionalmente elevato, i nanocompositi sono significativamente più performanti dei compositi convenzionali. Le nano particelle come la silice sferica, le lastre minerali come il grafene esfoliato o l'argilla, o le nano fibre come i nanotubi di carbonio o le fibre elettrofilate sono spesso utilizzate per il rinforzo.
Ad esempio, i nanotubi di carbonio vengono aggiunti per migliorare la conducibilità elettrica e termica, la nano silice viene utilizzata per migliorare le proprietà meccaniche, termiche e di resistenza all'acqua. Altri tipi di nanoparticelle conferiscono proprietà ottiche, dielettriche, dielettriche, di resistenza al calore o meccaniche come rigidità, forza e resistenza alla corrosione e ai danni.

Esempi di nanocompositi formulati ad ultrasuoni:

  • nanotubi di carbonio (CNT) in una matrice di estere di vinile
  • CNTs / cipolle di carbonio / nano diamanti in una matrice di nichel-metallo
  • CNTs in una matrice in lega di magnesio
  • CNT in una matrice di alcool polivinilico (PVA)
  • nanotubo di carbonio a pareti multiple (MWCNT) in una matrice di resina epossidica (che utilizza l'anidride metil tetraidroftalica (MTHPA) come agente indurente).
  • ossido di grafene in una matrice di poli(alcole vinilico) (PVA)
  • Nanoparticelle di SiC in una matrice di magnesio
  • nano silice (Aerosil) in una matrice di polistirolo
  • ossido di ferro magnetico in una matrice flessibile di poliuretano (PU)
  • ossido di nichel in grafite/poli (cloruro di vinile)
  • nanoparticelle di titania in una matrice di acido polilattico-co-glicolico (PLGA)
  • nano idrossiapatite in una matrice di acido polilattico-co-glicolico (PLGA)

Dispersione ultrasonica

I parametri di processo a ultrasuoni possono essere controllati con precisione e adattati in modo ottimale alla composizione del materiale e alla qualità di uscita desiderata. La dispersione ultrasonica è la tecnica raccomandata per incorporare nano particelle come CNT o grafene in nanocompositi. Da tempo testato a livello scientifico e implementato su molti impianti di produzione industriale, la dispersione ultrasonica e la formulazione di nanocompositi è un metodo consolidato. La lunga esperienza di Hielscher nella lavorazione ad ultrasuoni dei nanomateriali garantisce una profonda consulenza, la raccomandazione di una configurazione ad ultrasuoni adeguata e l'assistenza durante lo sviluppo e l'ottimizzazione del processo.
Per lo più, le nano particelle di rinforzo sono disperse nella matrice durante l'elaborazione. La percentuale in peso (frazione di massa) della gamma di materiali nano aggiunti nella scala più bassa, ad es. da 0,5% a 5%, poiché la dispersione uniforme ottenuta con la sonicazione consente di risparmiare i filler di rinforzo e migliori prestazioni di rinforzo.
Un'applicazione tipica degli ultrasuoni nella produzione è la formulazione di nanoparticolato composito di resine nanoparticolate. Per produrre estere vinilico rinforzato con CNT, la sonicazione viene utilizzata per disperdere e funzionalizzare i CNT. Questi CNT-vinil estere sono caratterizzati da proprietà elettriche e meccaniche migliorate.
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Le particelle inorganiche possono essere funzionalizzate mediante ultrasonicazione

Nano particella funzionalizzata ad ultrasuoni

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Dispositivi ad ultrasuoni da banco e di produzione come l'UIP1500hd forniscono un grado industriale completo. (Clicca per ingrandire!)

Dispositivo ad ultrasuoni UIP1500hd con reattore a flusso continuo

Grafene

Il grafene offre eccezionali proprietà fisiche, un elevato rapporto di aspetto e bassa densità. Il grafene e l'ossido di grafene sono integrati in una matrice composita per ottenere polimeri leggeri e ad alta resistenza. Per ottenere l'armatura meccanica, le lastre di grafene / piastrine devono essere disperse molto fini, per le lastre di grafene agglomerato limitare drasticamente l'effetto di rinforzo.
La ricerca scientifica ha dimostrato che l'entità del miglioramento dipende principalmente dal grado di dispersione delle lastre di grafene nella matrice. Solo il grafene disperso in modo omogeneo fornisce gli effetti desiderati. Grazie alla sua forte idrofobicità e all'attrazione di van der Waals, il grafene è incline ad aggregarsi e agglomerarsi in scaglie di lastre monostrato che interagiscono debolmente.
Mentre le comuni tecniche di dispersione spesso non sono in grado di produrre dispersioni grafene omogenee e non danneggiate, gli ultrasuoni ad alta potenza producono dispersioni grafene di alta qualità. Gli ultrasuoni di Hielscher sono in grado di gestire grafene, ossido di grafene e ossido di grafene ridotto da basse ad alte concentrazioni e da piccoli a grandi volumi senza problemi. Un solvente comunemente usato è il N-metil-2-pirrolidone (NMP), ma con gli ultrasuoni ad alta potenza, il grafene può anche essere disperso in solventi poveri e a basso punto di ebollizione come acetone, cloroformio, IPA e cicloesanone.
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Nanotubi di carbonio e altri materiali nano

È stato dimostrato che gli ultrasuoni di potenza si traducono in dispersioni finemente dimensionate 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 i disperditori convenzionali e può raggiungere risultati unici.
Oltre a macinare e disperdere le nano particelle, si ottengono risultati eccellenti sintetizzando le nano particelle attraverso la precipitazione ultrasonica (sintesi bottom-up). È stato osservato che la dimensione delle particelle, ad esempio di magnetite sintetizzata ad ultrasuoni, molibdato di zinco-sodio e altri, è inferiore rispetto a quella ottenuta con il metodo convenzionale. La dimensione inferiore è attribuita alla maggiore velocità di nucleazione e a migliori modelli di miscelazione grazie al taglio e alla turbolenza generata dalla cavitazione ultrasonica.
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Funzionalizzazione delle particelle a ultrasuoni

La superficie specifica di una particella aumenta con la riduzione delle dimensioni. Soprattutto nelle nanotecnologie, l'espressione delle caratteristiche del materiale è notevolmente aumentata dall'aumento dell'area superficiale della particella. L'area superficiale può essere aumentata ecologicamente e modificata mediante l'applicazione di appropriate molecole funzionali sulla superficie della particella. Per quanto riguarda l'applicazione e l'uso dei nanomateriali, le proprietà superficiali sono importanti quanto le proprietà del nucleo delle particelle.
Le particelle funzionalizzate ad ultrasuoni sono ampiamente utilizzate nei polimeri, nei compositi & biocompositi, nanofluidi, nanofluidi, dispositivi assemblati, nanomedicina, ecc. Dalla funzionalizzazione della particella, caratteristiche come la stabilità, la forza & rigidità, solubilità, polidispersità, fluorescenza, magnetismo, magnetismo, superparamagnetismo, assorbimento ottico, alta densità di elettroni, fotoluminiscenza ecc. sono drasticamente migliorate.
Particelle comuni che sono funzionalizzate commercialmente con Hielscher’ sistemi ad ultrasuoni incude CNTs, SWNTs, MWNTs, grafene, grafite, silice (SiO2), nanodiamanti, magnetite (ossido di ferro, Fe3O4), nano particelle d'argento, nano particelle d'oro, poroso & nanoporose mesoporose, ecc.
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Disperditori ad ultrasuoni

L'attrezzatura di dispersione ad ultrasuoni Hielscher è disponibile per la produzione da laboratorio, da banco e industriale. Gli ultrasuoni Hielscher sono affidabili, robusti, facili da usare e pulire. L'apparecchiatura è progettata per funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7 in condizioni gravose. I sistemi ad ultrasuoni possono essere utilizzati per la lavorazione a lotti e in linea – flessibile e facilmente adattabile ai vostri processi e alle vostre esigenze.

Lotto ad ultrasuoni e capacità in linea

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
Da 5 a 200 ml Da 50 a 500mL/min UP200Ht, UP400S
0.1 a 2L 0.25 a 2m3/ora UIP1000hd, UIP2000hd
0.4 a 10L da 1 a 8m3/ora UIP4000
n.a. Da 4 a 30m3/ora UIP16000
n.a. sopra i 30m3/ora cluster di UIP10000 o UIP16000

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Si prega di utilizzare il modulo sottostante, se si desidera richiedere ulteriori informazioni sull'omogeneizzazione ad ultrasuoni. Saremo lieti di offrirvi un sistema ad ultrasuoni che soddisfi le vostre esigenze.









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L'ultrasuoni UP200S per la modifica delle particelle e la riduzione delle dimensioni (Clicca per ingrandire!)

Dispositivo da laboratorio ad ultrasuoni per la funzionalità delle particelle

Letteratura/riferimenti

  • Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Analisi delle prestazioni di inibizione della corrosione del nanopigmento di sodio molibdato di zinco molibdato di sodio epossipoliammide bicomponente. Interfacce composite 21/9, 2015. 833-852.
  • Nikje, M.M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Preparazione di nuovi nanocompositi di schiuma poliuretanica magnetica a base di nanoparticelle a conchiglia. Polímeros vol.26 n.4, 2016.
  • Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): La preparazione di materiale composito di grafene ossido di grafene-polistirene. Terza conferenza internazionale sull'ambiente, la chimica e la biologia. IPCBEE vol.78, 2014.


Particolarità / Cose da sapere

Informazioni sui materiali compositi

I materiali compositi (noti anche come materiali compositi) sono descritti come materiali composti da due o più componenti caratterizzati da proprietà fisiche o chimiche significativamente diverse. Quando questi materiali costituenti sono combinati, 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 ha proprietà migliori, ad esempio è più forte, più leggero, più resistente o meno costoso rispetto ai materiali convenzionali. I miglioramenti dei nanocompositi vanno dalle proprietà meccaniche, elettriche/conduttive, termiche, ottiche, elettrochimiche e catalitiche.

I tipici materiali compositi ingegnerizzati includono:

  • biocompositi
  • plastiche rinforzate, come i polimeri fibrorinforzati
  • compositi metallici
  • compositi ceramici (compositi a matrice ceramica e compositi a matrice metallica)

I materiali compositi sono generalmente utilizzati per la costruzione e la strutturazione di materiali come scafi di imbarcazioni, piani di lavoro, carrozzerie di automobili, vasche da bagno, serbatoi di stoccaggio, lavandini in finto granito e marmo di coltura, nonché in veicoli spaziali e aerei.

I compositi possono utilizzare anche fibre metalliche che rinforzano altri metalli, come nei compositi a matrice metallica (MMC) o in compositi a matrice ceramica (CMC), che comprendono osso (idrossiapatite rinforzata con fibre di collagene), cermet (ceramica e metallo) e calcestruzzo.
I materiali compositi a matrice organica / aggregati ceramici includono cemento asfalto, cemento polimerico, asfalto mastice, mastice roller hybrid, composito dentale, schiuma sintattica e madreperla.

Informazioni sugli effetti degli ultrasuoni sulle particelle

Le proprietà delle particelle possono essere osservate quando la dimensione delle particelle è ridotta ad un livello particolare (noto come dimensione critica). Quando le dimensioni delle particelle raggiungono il livello nanometrico, le interazioni nelle interfacce di fase sono ampiamente migliorate, il che è fondamentale per migliorare le caratteristiche dei materiali. Di conseguenza, il rapporto superficie/volume dei materiali utilizzati per il rinforzo nei nanocompositi è il più significativo. I nanocompositi offrono vantaggi tecnologici ed economici per quasi tutti i settori dell'industria, compresi i settori aerospaziale, automobilistico, elettronico, biotecnologico, farmaceutico e medico. Un ulteriore grande vantaggio è il loro rispetto per l'ambiente.
L'ultrasuono di potenza migliora la bagnabilità e l'omogeneizzazione tra la matrice e le particelle grazie alla sua intensa miscelazione e dispersione. – generato da Cavitazione ad ultrasuoni. Poiché la sonicazione è il metodo di dispersione più utilizzato e di maggior successo per quanto riguarda i nanomateriali, i sistemi ad ultrasuoni Hielscher sono installati in laboratorio, impianto pilota e produzione in tutto il mondo.