Formulazione a ultrasuoni di compositi rinforzati
- I materiali compositi presentano proprietà uniche, come una maggiore termostabilità, un modulo elastico, una resistenza alla trazione e alla frattura, e sono quindi ampiamente utilizzati nella produzione di collettori.
- È dimostrato che la sonicazione produce nanocompositi di alta qualità con CNT altamente dispersi, grafene ecc.
- Le apparecchiature a ultrasuoni per la formulazione di compositi rinforzati sono disponibili su scala industriale.
Nanocompositi
I nanocompositi eccellono 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 sono significativamente più performanti dei compositi convenzionali. Per il rinforzo vengono spesso utilizzate nano particelle come la silice sferica, fogli minerali come il grafene esfoliato o l'argilla, o nano fibre 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 nano silice viene utilizzata per migliorare le proprietà meccaniche, termiche e di resistenza all'acqua. Altri tipi di nanoparticelle migliorano le proprietà ottiche, le proprietà dielettriche, la resistenza al calore o le proprietà meccaniche come la rigidità, la forza e la resistenza alla corrosione e ai danni.
Esempi di nanocompositi formulati a ultrasuoni:
- nanotubi di carbonio (CNT) in una matrice di estere vinilico
- CNTs / cipolle di carbonio / nano diamanti in una matrice metallica di nichel
- CNT in una matrice di lega di magnesio
- CNT in una matrice di alcool polivinilico (PVA)
- nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) in una matrice di resina epossidica (utilizzando l'anidride metil tetraidroftalica (MTHPA) come agente indurente)
- ossido di grafene in una matrice di poli(alcool vinilico) (PVA)
- Nanoparticelle di SiC in una matrice di magnesio
- nano silice (Aerosil) in una matrice di polistirene
- ossido di ferro magnetico in una matrice di poliuretano flessibile (PU)
- ossido di nichel in una miscela di grafite e 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 del processo a ultrasuoni possono essere controllati esattamente e adattati in modo ottimale alla composizione del materiale e alla qualità desiderata. La dispersione a ultrasuoni è la tecnica consigliata per incorporare nano particelle come CNT o grafene nei nanocompositi. Da tempo testata a livello scientifico e implementata in molti impianti di produzione industriale, la dispersione a ultrasuoni e la formulazione di nanocompositi è un metodo consolidato. La lunga esperienza di Hielscher nella lavorazione a ultrasuoni dei nanomateriali garantisce una consulenza approfondita, la raccomandazione di un'adeguata configurazione a ultrasuoni e l'assistenza durante lo sviluppo e l'ottimizzazione del processo.
Nella maggior parte dei casi, le nano particelle di rinforzo vengono disperse nella matrice durante la lavorazione. La percentuale in peso (frazione di massa) del materiale nano aggiunto è compresa nella scala inferiore, ad esempio tra lo 0,5% e il 5%, poiché la dispersione uniforme ottenuta con la sonicazione consente di risparmiare le cariche di rinforzo e di ottenere prestazioni di rinforzo più elevate.
Una tipica applicazione degli ultrasuoni nella produzione è la formulazione di compositi nanoparticolati-resina. Per produrre estere di vinile rinforzato con CNT, la sonicazione viene utilizzata per disperdere e funzionalizzare i CNT. Questi estere vinilico con CNT sono caratterizzati da proprietà elettriche e meccaniche migliorate.
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Nano particelle funzionalizzate a ultrasuoni
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 sono integrati in una matrice composita per ottenere polimeri leggeri e ad alta resistenza. Per ottenere il rinforzo meccanico, i fogli/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 soprattutto 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 è incline ad aggregarsi e agglomerarsi in fiocchi di fogli monostrato debolmente interagenti.
Mentre le comuni tecniche di dispersione spesso non riescono a produrre dispersioni di grafene omogenee e non danneggiate, gli ultrasonici ad alta potenza producono dispersioni di grafene di alta qualità. Gli ultrasuonatori Hielscher trattano senza problemi grafene incontaminato, 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 è possibile disperdere il grafene anche in solventi poveri e a basso punto di ebollizione come acetone, cloroformio, IPA e cicloesanone.
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Nanotubi di carbonio e altri nano materiali
È stato dimostrato che gli ultrasuoni di potenza consentono di ottenere dispersioni di dimensioni fini di vari nano materiali, 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 disperdenti convenzionali e può ottenere risultati unici.
Oltre alla macinazione e alla dispersione delle nanoparticelle, si ottengono ottimi risultati sintetizzando le nanoparticelle tramite precipitazione a ultrasuoni (sintesi bottom-up). È stato osservato che la dimensione delle particelle, ad esempio di magnetite, molibdato di sodio e zinco sintetizzati a ultrasuoni, è inferiore rispetto a quella ottenuta con il metodo convenzionale. La minore dimensione è attribuita al maggiore tasso di nucleazione e ai migliori modelli di miscelazione dovuti al taglio e alla turbolenza generati dalla cavitazione ultrasonica.
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Funzionalizzazione delle particelle a ultrasuoni
L'area superficiale specifica di una particella aumenta con la riduzione delle dimensioni. Soprattutto nelle nanotecnologie, l'espressione delle caratteristiche del materiale aumenta in modo significativo grazie all'ampliamento dell'area superficiale della particella. L'area superficiale può essere aumentata e modificata a ultrasuoni attaccando molecole funzionali appropriate sulla superficie della particella. Per quanto riguarda l'applicazione e l'uso dei nano materiali, le proprietà superficiali sono importanti quanto le proprietà del nucleo delle particelle.
Le particelle funzionalizzate ad ultrasuoni sono ampiamente utilizzate in polimeri, compositi & biocompositi, nanofluidi, dispositivi assemblati, nanomedicine, ecc. Con la funzionalizzazione delle particelle, caratteristiche quali stabilità, forza & rigidità, solubilità, polidispersità, fluorescenza, magnetismo, superparamagnetismo, assorbimento ottico, alta densità di elettroni, fotoluminiscenza ecc. sono drasticamente migliorati.
Le comuni particelle funzionalizzate con Hielscher sono disponibili in commercio.’ I sistemi ad ultrasuoni comprendono CNT, SWNT, MWNT, grafene, grafite, silice (SiO2), nanodiamanti, magnetite (ossido di ferro, Fe3O4), nano particelle d'argento, nano particelle d'oro, particelle porose & nanoparticelle mesoporose, ecc.
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dispersori a ultrasuoni
Le apparecchiature di dispersione a ultrasuoni di Hielscher sono disponibili per la produzione in laboratorio, da banco e industriale. Gli ultrasuonatori Hielscher sono affidabili, robusti, facili da usare e da pulire. Le apparecchiature sono progettate per funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose. I sistemi a ultrasuoni possono essere utilizzati per la lavorazione in batch e in linea. – flessibile e facilmente adattabile ai vostri processi e requisiti.
Capacità in linea e per lotti di ultrasuoni
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| Da 5 a 200 ml | Da 50 a 500 mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0Da 1 a 2 litri | 0Da .25 a 2 m3/ora | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 a 10L | Da 1 a 8 m3/ora | UIP4000 |
| n.a. | Da 4 a 30 m3/ora | UIP16000 |
| n.a. | sopra i 30 m3/ora | cluster di UIP10000 o UIP16000 |
Dispositivo da laboratorio a ultrasuoni per la funzionalizzazione 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): “Studio delle prestazioni di inibizione della corrosione del nanopigmento di molibdato di sodio e zinco preparato ad ultrasuoni in un rivestimento epossipoliammidico a due componenti. Interfacce composite 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 e polistirene. Terza Conferenza Internazionale su Ambiente, Chimica e Biologia. IPCBEE vol.78, 2014.
Particolarità / Cose da sapere
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 costitutivi vengono combinati, si ottiene 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 a quelle catalitiche.
I tipici materiali compositi ingegnerizzati includono:
- biocompositi
- plastiche rinforzate, come i polimeri fibrorinforzati
- compositi metallici
- compositi ceramici (compositi a matrice ceramica e 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, lavelli in finto granito e in marmo coltivato, nonché in veicoli spaziali e aerei.
I compositi possono anche utilizzare fibre metalliche che rinforzano altri metalli, come nei compositi a matrice metallica (MMC) o 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/aggregato ceramico comprendono il calcestruzzo asfaltato, il calcestruzzo polimerico, l'asfalto mastice, il rullo mastice ibrido, il composito dentale, la schiuma sintattica e la madreperla.
Informazioni sugli effetti degli ultrasuoni sulle particelle
Le proprietà delle particelle possono essere osservate quando la loro dimensione viene ridotta a un livello particolare (noto come dimensione critica). Quando le dimensioni delle particelle raggiungono il livello nanometrico, le interazioni alle interfacce di fase migliorano notevolmente, il che è fondamentale per migliorare le caratteristiche dei materiali. Pertanto, il rapporto superficie/volume dei materiali utilizzati come rinforzo nei nanocompositi è molto importante. I nanocompositi offrono vantaggi tecnologici ed economici per quasi tutti i settori industriali, tra cui quello aerospaziale, automobilistico, elettronico, biotecnologico, farmaceutico e medico. Un altro grande vantaggio è la loro compatibilità ambientale.
Gli ultrasuoni di potenza migliorano la bagnabilità e l'omogeneizzazione tra la matrice e le particelle grazie alla loro intensa miscelazione e dispersione. – generato da Cavitazione ad ultrasuoni. Poiché la sonicazione è il metodo di dispersione più diffuso e di maggior successo quando si tratta di nano materiali, i sistemi a ultrasuoni di Hielscher sono installati in laboratorio, negli impianti pilota e in produzione in tutto il mondo.