Preparazione ad ultrasuoni della gomma rinforzata
- Le gomme rinforzate mostrano una maggiore resistenza alla trazione, allungamento, resistenza all'abrasione e una migliore stabilità all'invecchiamento.
- Riempitivi come il nero carbone (ad esempio, CNT, MWNT), grafene o silice devono essere dispersi in modo omogeneo nella matrice per fornire le proprietà del materiale desiderato.
- Gli ultrasuoni di potenza forniscono una qualità di distribuzione superiore delle nanoparticelle monodisperse con proprietà altamente rinforzanti.
Dispersione ultrasonica
L'ultrasonicazione è ampiamente utilizzata per la dispersione di nanomateriali come nanoparticelle e nanotubi monodisperse, poiché l'ultrasuono migliora notevolmente la separazione e la funzionalizzazione delle particelle e dei tubi.
L'apparecchiatura di dispersione ad ultrasuoni crea cavitazione e forze di taglio elevate per distruggere, deagglomerare, districare e disperdere nano particelle e nanotubi. L'intensità della sonicazione può essere regolata e controllata con precisione in modo che i parametri di elaborazione ultrasonica siano perfettamente adattati, tenendo conto della concentrazione, dell'agglomerazione e dell'allineamento/inclinazione del materiale nano. In questo modo, i nanomateriali possono essere lavorati in modo ottimale in base alle esigenze specifiche del loro materiale. Le condizioni ottimali di dispersione grazie ai parametri di processo a ultrasuoni regolati individualmente danno come risultato un nanocomposito finale in gomma di alta qualità con caratteristiche di rinforzo superiori dei nano-additivi e -fillers.
Grazie alla superiore qualità di dispersione degli ultrasuoni e alla dispersione uniforme così ottenuta, è sufficiente un carico di riempimento molto basso per ottenere eccellenti caratteristiche del materiale.
Sistema industriale ad ultrasuoni
Gomma rinforzata ultrasonicamente Carbon Black-Reinforced Rubber
Il nerofumo è uno dei più importanti riempitivi delle gomme, soprattutto per pneumatici, per conferire al materiale gommato resistenza all'abrasione e resistenza alla trazione. Le particelle di nerofumo sono fortemente inclini a formare aggregati difficili da disperdere in modo omogeneo. Il nero carbone è comunemente usato in vernici, smalti, inchiostri da stampa, coloranti di nylon e plastica, miscele di lattice, miscele di cera, rivestimenti fotografici e altro ancora.
La dispersione ultrasonica permette di deagglomerare e miscelare uniformemente con un'altissima monodispersività delle particelle.
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Gomma rinforzata ad ultrasuoni CNT / MWCNT-Reinforced Rubber
Gli omogeneizzatori ad ultrasuoni sono potenti sistemi di dispersione che possono essere controllati con precisione e adattati ai requisiti di processo e dei materiali. Il controllo preciso dei parametri di processo ad ultrasuoni è particolarmente importante per la dispersione di nanotubi come MWNT o SWNT, poiché i nanotubi devono essere suddivisi in singole provette senza essere danneggiati (es. scissione). I nanotubi non danneggiati offrono un elevato rapporto d'aspetto (fino a 132.000.000.000:1), in modo da conferire eccezionale resistenza e rigidità quando formulati in un composito. La potente sonicazione, regolata con precisione, supera le forze di Van der Waals e disperde e districa i nanotubi, ottenendo un materiale in gomma ad alte prestazioni con eccezionale resistenza alla trazione e modulo elastico.
Inoltre, funzionalizzazione ad ultrasuoni viene utilizzato per modificare i nanotubi di carbonio al fine di ottenere le proprietà desiderate che possono essere utilizzate in molteplici applicazioni.
Ultrasuonatori per la dispersione continua di nanomateriali, nerofumo o carbone attivo.
Gomma nanosilica-rinforzata ad ultrasuoni in silicone
I disperditori a ultrasuoni forniscono una distribuzione altamente uniforme delle particelle di silice (SiO2) nano particelle in soluzioni di polimeri di gomma. Silice (SiO2) devono essere distribuite in modo omogeneo come particelle monodisperse in stirene-butadiene polimerizzato e altre gomme. Nano-SiO nano-SiO monodisperso2 agisce come agente di rinforzo, che migliora significativamente la tenacità, la forza, l'allungamento, la flessione e le prestazioni anti-invecchiamento. Per le nano particelle si applica: Più piccola è la dimensione delle particelle, più grande è l'area superficiale specifica delle particelle. Con un più alto rapporto superficie/volume (S/V) si ottengono migliori effetti strutturali e di rinforzo, che aumentano la resistenza alla trazione e la durezza dei prodotti in gomma.
La dispersione ultrasonica delle particelle di silice nano permette di controllare esattamente i parametri di processo in modo da ottenere una morfologia sferica, dimensioni delle particelle regolate con precisione e una distribuzione granulometrica molto stretta.
La silice dispersa ad ultrasuoni consente di ottenere le massime prestazioni del materiale della gomma rinforzata.
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Dispersione ultrasonica degli additivi di rinforzo
È stato dimostrato che la sonicazione disperde molti altri materiali nanoparticolati per migliorare il modulo, la resistenza alla trazione e le proprietà di fatica dei compositi in gomma. Poiché la dimensione delle particelle, la forma, l'area superficiale e l'attività superficiale dei riempitivi e degli additivi di rinforzo sono cruciali per le loro prestazioni, i potenti e affidabili disperditori a ultrasuoni sono uno dei metodi più frequentemente utilizzati per formulare micro e nano particelle di dimensioni nei prodotti in gomma.
Additivi e riempitivi tipici, che vengono incorporati per sonicazione come particelle uniformemente distribuite o monodisperse nelle matrici di gomma, sono il carbonato di calcio, l'argilla caolino, la silice fumé, la silice precipitata, l'ossido di grafite, il grafene, la mica, il talco, la barite, la wollastonite, i silicati precipitati, la silice fumé e la diatomite.
Quando l'acido oleico-funzionalizzato TiO2 le nanoparticelle sono disperse ultrasonicamente nella gomma stirene-butadiene, anche una piccolissima quantità di oleico-SiO2 si traduce in un significativo miglioramento del modulo, della resistenza alla trazione, delle proprietà di fatica e delle funzioni come agente protettivo contro la foto e la degradazione termica.
- Allumina triidrato (Al2O3) viene aggiunto come ritardante di fiamma, per migliorare la conducibilità termica, e per il monitoraggio e la resistenza all'erosione.
- I riempitivi a base di ossido di zinco (ZnO) aumentano la permittività relativa e la conducibilità termica.
- Biossido di titanio (TiO2) migliora la conducibilità termica ed elettrica.
- Carbonato di calcio (CaCO3) è utilizzato come additivo per le sue proprietà meccaniche, reologiche e ignifughe.
- Titanato di bario (BaTiO3) aumenta la stabilità termica.
- Grafene e l'ossido di grafene (GO) conferiscono caratteristiche meccaniche, elettriche, termiche e ottiche superiori.
- nanotubi di carbonio (CNTs) migliorano significativamente le proprietà meccaniche come la resistenza alla trazione, la conducibilità elettrica e termica.
- I nanotubi di carbonio a parete multipla (MWNT) migliorano il modulo di Young e la resistenza allo snervamento. Per esempio, solo l'1 % in peso di MWNTs in un risultato epossidico in un risultato epossidico in un aumento del modulo di Young `s e resistenza allo snervamento rispettivamente, 100% e 200%, rispetto alla matrice pura.
- Nanotubi di carbonio a parete singola (SWNTs) migliorano le proprietà meccaniche e la conducibilità termica.
- Le nanofibre di carbonio (CNF) aggiungono forza, resistenza al calore e durata.
- Nanoparticelle metalliche come nichel, ferro, rame, rame, zinco, alluminio, e argento per migliorare la conducibilità elettrica e termica.
- Nanomateriali organici come montmorillonite migliorare le proprietà meccaniche e ignifughe.
Sistemi di dispersione a ultrasuoni
Hielscher Ultrasonics offre un'ampia gamma di apparecchiature a ultrasuoni – da sistemi da banco più piccoli per prove di fattibilità fino a quelli per impieghi gravosi unità industriali ad ultrasuoni con 16kW per unità. Potenza, affidabilità, precisione di controllo e robustezza fanno dei sistemi di dispersione a ultrasuoni di Hielscher la soluzione ideale per le applicazioni di dispersione a ultrasuoni. “cavallo da lavoro” nella linea di produzione di formulazioni micron e nano-particolate. I nostri ultrasuoni sono in grado di processare dispersioni acquose e a base solvente fino a alta viscosità (fino a 10.000 cp) facilmente. Diversi sonotrodi (trombe ad ultrasuoni), booster (intensificatore/decreaser), geometrie delle celle di flusso e altri accessori consentono di adattare in modo ottimale il dispersore ad ultrasuoni alle esigenze del prodotto e del processo.
Ultrasuoni Hielscher’ processori a ultrasuoni industriali possono fornire molto ampiezze elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere eseguite ininterrottamente 24 ore su 24, 7 giorni su 7 giorni all'anno. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi ad ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni di Hielscher consente di 24 ore su 24, 7 giorni su 7 operazione a pesante e in ambienti difficili. I disperditori ad ultrasuoni Hielscher sono installati in tutto il mondo per la produzione commerciale su larga scala.
Configurazione a ultrasuoni personalizzata per nano-dispersioni
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
Letteratura / Referenze
- Bitenieks, Juris; Meria, Remo Merijs; Zicans, Janis; Maksimovs, Roberts; Vasilec, Cornelia; Musteata, Valentina Elena (2012): Styrene–acrylate/carbon nanotube nanocomposites: mechanical, thermal, and electrical properties. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 2012, 61, 3, 172–177.
- Kaboorani, Alireza; Riedl, Bernard; Blanchet, Pierre (2013): Ultrasonication Technique: A Method for Dispersing Nanoclay in Wood Adhesives. Journal of Nanomaterials 2013.
- Momen, G.; Farzaneh, M. (2011): Survey of Micro/Nano Filler Use to improve Silicone Rubber For Outdoor Insulators. Review of Advanced Materials Science 27, 2011. 1-3.
- Sharma, S.D.; Singh, S. (2013): Synthesis and Characterization of Highly Effective Nano Sulfated Zirconia over Silica: Core-Shell Catalyst by Ultrasonic Irradiation. American Journal of Chemistry 2013, 3(4): 96-104.
Particolarità / Cose da sapere
Gomma sintetica
Una gomma sintetica è un qualsiasi elastomero artificiale. Le gomme sintetiche sono principalmente polimeri sintetizzati da sottoprodotti petroliferi e sono costituite, come altri polimeri, da vari monomeri a base di petrolio. La gomma sintetica più diffusa è la gomma stirene-butadiene (SBR) derivata dalla copolimerizzazione dello stirene e dell'1,3-butadiene. Altre gomme sintetiche sono preparate con isoprene (2-metil-1,3-butadiene), cloroprene (2-cloro-1,3-butadiene) e isobutilene (metilpropene) con una piccola percentuale di isoprene per la reticolazione. Questi ed altri monomeri possono essere miscelati in varie proporzioni per essere copolimerizzati per produrre prodotti con una gamma di proprietà fisiche, meccaniche e chimiche. I monomeri possono essere prodotti puri e l'aggiunta di impurità o additivi può essere controllata dal design per ottenere proprietà ottimali. La polimerizzazione dei monomeri puri può essere meglio controllata per ottenere una proporzione desiderata di doppi legami cis e trans.
La gomma sintetica, come la gomma naturale, è ampiamente utilizzata nell'industria automobilistica per pneumatici, profili di porte e finestre, tubi flessibili, cinture, stuoie e pavimenti.
Gomma naturale
La gomma naturale è anche conosciuta come gomma dell'India o caucciù. La gomma naturale è classificata come elastomero e consiste principalmente di polimeri del composto organico poli-cis-isoprene e acqua. Contiene tracce di impurità come proteine, sporco, ecc. La gomma naturale, che deriva come lattice dall'albero della gomma. Hevea Brasiliensismostra eccellenti proprietà meccaniche. Tuttavia, rispetto alle gomme sintetiche, la gomma naturale ha prestazioni dei materiali inferiori soprattutto per quanto riguarda la stabilità termica e la compatibilità con i prodotti petroliferi. La gomma naturale ha una vasta gamma di applicazioni, da sola o in combinazione con altri materiali. Viene utilizzato soprattutto per il suo ampio rapporto di allungamento, l'elevata resilienza e l'altissima tenuta stagna. Il punto di fusione della gomma è a circa 180°C (356°F).
La tabella seguente fornisce una panoramica dei vari tipi di gomma:
| ISO | Nome tecnico | Nome comune |
|---|---|---|
| ACM | Gomma poliacrilato | |
| AEM | Gomma etilene-acrilato Gomma | |
| AU | Poliestere Uretano | |
| BIIR | Bromo Isoprene isobutilene Isoprene | Bromobutile |
| BR | Polibutadiene | Buna CB |
| CIIR | Chloro Isoprene Isobutilene Isoprene | Clorobutile, Butile |
| CR | Policloroprene | Cloroprene, Neoprene, Neoprene |
| CSM | Polietilene clorosolfonato | Hypalon |
| ECO | Epicloridrina | ECO, epicloridrina, epicloruro, epicloridrina, ercloroidrina, idrina |
| PE | Etilene Propilene | |
| EPDM | Etilene Propilene Propilene Diene Monomero | EPDM, Nordel |
| UE | Polietere Uretano | |
| FFKM | Gomma Perfluorocarbonio | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Idrocarburo fluorurato | Viton, Fluorel |
| FMQ | Silicone Fluoro | FMQ, gomma siliconica |
| FPM | Gomma fluorocarbonio | |
| HNBR | Nitrile butadiene di nitrile idrogenato | HNBR |
| IR | Poliisoprene | (Sintetico) Gomma naturale |
| LORO | Isobutilene Isoprene Butile | Butile |
| NBR | Acrilonitrile butadiene | NBR, Nitrile, Perbunan, Buna-N |
| PU | Poliuretano | PU, poliuretano |
| SBR | Stirene butadiene | SBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE |
| SEBS | Copolimero stirene Etilene etilene e butilene Copolimero stirene | Gomma SEBS |
| SI | Polisilossano | Gomma siliconica |
| VMQ | Silicone di vinile e metile | Gomma siliconica |
| XNBR | Acrilonitrile butadiene carbossilico monomero | XNBR, Nitrile carbossilato |
| XSBR | Stirene butadiene butadiene carbossil monomero | |
| YBPO | Polietere termoplastico Poliestere | |
| YSBR | Copolimero a blocchi di butadiene stirene e butadiene | |
| YXSBR | Copolimero a blocchi carbossilati allo stirene butadiene e butadiene |
SBR
La gomma stirene-butadiene o gomma stirene-butadiene (SBR) descrive le gomme sintetiche, che derivano dallo stirene e dal butadiene. Stirene-butadiene rinforzato caratterizzato da un'elevata resistenza all'abrasione e buone proprietà anti-invecchiamento. Il rapporto tra stirene e butadiene determina le proprietà del polimero: con un alto contenuto di stirene, le gomme diventano più dure e meno gommose.
Le limitazioni delle SBR non rinforzate sono causate dalla bassa resistenza senza rinforzo, bassa resilienza, bassa resistenza allo strappo (in particolare alle alte temperature) e scarsa aderenza. Pertanto, sono necessari agenti di rinforzo e riempitivi per migliorare le proprietà SBR. Ad esempio, le cariche di nerofumo sono utilizzate per resistere alla forza e all'abrasione.
Stirene
Stirene (C8H8) è conosciuto sotto vari termini come etenilbenzene, vinilbenzene, feniletilene, feniletilene, cinnamene, stirolo, diarex HF 77, stirolene e styropol. È un composto organico con la formula chimica C6H5CH=CH2. Lo stirene è il precursore del polistirolo e di diversi copolimeri.
È un derivato del benzene e si presenta come un liquido oleoso incolore, che evapora facilmente. Lo stirene ha un odore dolce, che si trasforma ad alte concentrazioni in un odore meno gradevole.
In presenza di un gruppo vinilico, lo stirene forma un polimero. I polimeri a base di stirene sono prodotti commercialmente per ottenere prodotti quali polistirene, ABS, gomma stirene-butadiene (SBR), lattice stirene-butadiene, SIS (stirene-isoprene-stirene), S-EB-S (stirene-etilene/butilene-stirene), stirene-divinilbenzene (S-DVB), resina stirene-acrilonitrile (SAN) e poliesteri insaturi utilizzati in resine e composti termoindurenti. Questi materiali sono componenti importanti per la produzione di gomma, plastica, isolamento, fibra di vetro, tubi, parti di automobili e imbarcazioni, contenitori per alimenti e supporto per moquette.
Applicazioni della gomma
La gomma ha molte caratteristiche del materiale come la resistenza, la durata, la resistenza all'acqua e al calore. Queste proprietà rendono la gomma molto versatile, tanto che viene utilizzata in molti settori industriali. L'uso principale della gomma è nell'industria automobilistica, soprattutto per la produzione di pneumatici. Altre caratteristiche come l'antiscivolo, la morbidezza, la durata e la resilienza fanno della gomma un materiale composito molto frequentato utilizzato per la produzione di calzature, pavimentazioni, forniture mediche e sanitarie, prodotti per la casa, giocattoli, articoli sportivi e molti altri prodotti in gomma.
Nano-additivi e riempitivi
I riempitivi e gli additivi in gomma di dimensioni ridotte fungono da agenti rinforzanti e protettivi per migliorare la resistenza alla trazione, all'abrasione, allo strappo, all'isteresi e per preservare dalla degradazione foto e termica della gomma.
silice
Silice (SiO2(biossido di silicio, biossido di silicio) viene utilizzato in molte forme come la silice amorfa, ad esempio la silice pirogenica, il fumo di silice, la silice precipitata per migliorare le caratteristiche del materiale per quanto riguarda le proprietà meccaniche dinamiche, la resistenza all'invecchiamento termico e la morfologia. I composti caricati con silice mostrano una viscosità e una densità di reticolazione in aumento, rispettivamente, ad un contenuto di riempitivo in aumento. La durezza, il modulo, la resistenza alla trazione e le caratteristiche di usura sono state progressivamente migliorate aumentando la quantità di silice di riempimento.
Nero di carbonio
Il nero carbone è una forma di carbonio paracristallino con complessi chimici a base di ossigeno (come gruppi carbossilici, chinonici, lattonici, gruppi fenolici e altri) attaccati alla sua superficie. Questi gruppi di ossigeno in superficie sono solitamente raggruppati sotto il termine “complessi volatili”. A causa di questo contenuto volatile, il nero carbone è un materiale non conduttivo. Con i complessi carbonio-ossigeno le particelle di nerofumo funzionalizzate sono più facili da disperdere.
L'elevato rapporto superficie-area-volume del nero carbone ne fa un comune riempitivo di rinforzo. Quasi tutti i prodotti in gomma, per i quali sono essenziali la resistenza alla trazione e all'abrasione, utilizzano il nero carbone. La silice precipitata o fumé viene utilizzata come sostituto del nero carbone, quando è necessario rinforzare la gomma, ma il colore nero dovrebbe essere evitato. Tuttavia, le cariche a base di silice stanno guadagnando quote di mercato anche nei pneumatici per auto, perché l'uso di cariche a base di silice si traduce in una minore perdita di rotolamento rispetto ai pneumatici riempiti in nero carbone.
La tabella seguente fornisce una panoramica dei tipi di nerofumo utilizzati nei pneumatici.
| Nome | Abbrev. | ASTM | Dimensione delle particelle nm | Resistenza alla trazione MPa | Abrasione relativa di laboratorio | Abrasione relativa dell'abbigliamento stradale |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Forno Super Abrasione | SAF | N110 | 20–25 | 25.2 | 1.35 | 1.25 |
| SAF intermedio | ISAF | N220 | 24–33 | 23.1 | 1.25 | 1.15 |
| Forno ad alta abrasione | HAF | N330 | 28–36 | 22.4 | 1.00 | 1.00 |
| Canale di elaborazione facile | EPC | N300 | 30–35 | 21.7 | 0.80 | 0.90 |
| Forno di estrusione veloce | FEF | N550 | 39–55 | 18.2 | 0.64 | 0.72 |
| Forno ad alto modulo | HMF | N660 | 49–73 | 16.1 | 0.56 | 0.66 |
| Forno di semi-rinforno di rinforzo | SRF | N770 | 70–96 | 14.7 | 0.48 | 0.60 |
| Termica fine | FT | N880 | 180–200 | 12.6 | 0.22 | – |
| Medio Termico | MT | N990 | 250–350 | 9.8 | 0.18 | – |
Ossido di grafene
L'ossido di grafene disperso nell'SBR determina un'elevata resistenza alla trazione e allo strappo, nonché un'eccezionale resistenza all'usura e una bassa resistenza al rotolamento, che sono proprietà importanti per la produzione di pneumatici. L'SBR rinforzato con ossido di grafene e silice offre un'alternativa competitiva per la produzione di pneumatici ecologici e per la produzione di compositi di gomma ad alte prestazioni. Il grafene e l'ossido di grafene possono essere esfoliati con successo, in modo affidabile e facilmente esfoliazione sotto sonicazione. Clicca qui per saperne di più sulla fabbricazione ad ultrasuoni del grafene!