Preparazione a ultrasuoni della gomma rinforzata
- Le gomme rinforzate presentano una maggiore resistenza alla trazione, un maggiore allungamento, una maggiore resistenza all’abrasione e una migliore stabilità all’invecchiamento.
- Cariche come il nerofumo (ad es. CNTs, MWNTs), il grafene o la silice devono essere disperse omogeneamente nella matrice per conferire le proprietà desiderate al materiale.
- Gli ultrasuoni di potenza assicurano una qualità superiore della distribuzione di nanoparticelle monodisperse con elevate proprietà rinforzanti.
Dispersione a ultrasuoni
La sonicazione è ampiamente utilizzata per disperdere nanomateriali come nanoparticelle monodisperse e nanotubi, poiché gli ultrasuoni migliorano notevolmente la separazione e la funzionalizzazione delle particelle e dei tubi.
Le apparecchiature per la dispersione a ultrasuoni generano cavitazione e intense forze di taglio per disgregare, deagglomerare, districare e disperdere nanoparticelle e nanotubi. L’intensità della sonicazione può essere regolata e controllata con precisione, così da adattare perfettamente i parametri del trattamento a ultrasuoni, tenendo conto della concentrazione, dell’agglomerazione e dell’allineamento/aggrovigliamento del nanomateriale. In questo modo, i nanomateriali possono essere trattati in modo ottimale in base alle loro specifiche esigenze. Condizioni di dispersione ottimali, ottenute mediante parametri del processo a ultrasuoni regolati individualmente, producono un nanocomposito finale di gomma di alta qualità, con caratteristiche rinforzanti superiori dei nanoadditivi e delle nanocariche.
Grazie alla qualità superiore della dispersione a ultrasuoni e alla dispersione uniforme così ottenuta, un contenuto molto basso di carica è sufficiente per ottenere eccellenti caratteristiche del materiale.
Sistema industriale a ultrasuoni
Gomma rinforzata con nerofumo mediante ultrasuoni
Il nerofumo è una delle cariche più importanti nelle gomme, soprattutto per gli pneumatici, per conferire al materiale resistenza all’abrasione e alla trazione. Le particelle di nerofumo hanno una forte tendenza a formare aggregati difficili da disperdere omogeneamente. Il nerofumo è comunemente utilizzato in vernici, smalti, inchiostri da stampa, coloranti per nylon e materie plastiche, miscele di lattice, miscele di cere, rivestimenti fotografici e altro ancora.
La dispersione a ultrasuoni consente di deagglomerare e miscelare uniformemente, ottenendo un grado molto elevato di monodispersità delle particelle.
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Gomma rinforzata con CNT / MWCNT mediante ultrasuoni
Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono potenti sistemi di dispersione che possono essere controllati con precisione e adattati alle esigenze del processo e del materiale. Il controllo preciso dei parametri del processo a ultrasuoni è particolarmente importante per disperdere nanotubi come MWNTs o SWNTs, poiché questi devono essere districati in singoli tubi senza essere danneggiati (ad es. per scissione). I nanotubi integri presentano un elevato rapporto d’aspetto (fino a 132.000.000:1), conferendo quindi resistenza e rigidità eccezionali quando vengono incorporati in un composito. Una sonicazione potente e regolata con precisione supera le forze di Van der Waals e disperde e districa i nanotubi, producendo una gomma ad alte prestazioni con resistenza alla trazione e modulo elastico eccezionali.
Inoltre, la funzionalizzazione a ultrasuoni viene utilizzata per modificare i nanotubi di carbonio al fine di ottenere le proprietà desiderate, utilizzabili in molteplici applicazioni.
Sonicatori per la dispersione continua di nanomateriali, nerofumo o carbone attivo.
Gomma rinforzata con nanosilice mediante ultrasuoni
I dispersori a ultrasuoni assicurano una distribuzione altamente uniforme delle nanoparticelle di silice (SiO2) nelle soluzioni di polimeri della gomma. Le nanoparticelle di silice (SiO2) devono essere distribuite omogeneamente come particelle monodisperse nello stirene-butadiene polimerizzato e in altre gomme. La nano-SiO2 monodispersa agisce come agente rinforzante, migliorando significativamente la tenacità, la resistenza, l’allungamento, le prestazioni a flessione e la resistenza all’invecchiamento. Per le nanoparticelle vale quanto segue: quanto minore è la dimensione delle particelle, tanto maggiore è la loro superficie specifica. Con un rapporto superficie/volume (S/V) più elevato si ottengono migliori effetti strutturali e rinforzanti, che aumentano la resistenza alla trazione e la durezza dei prodotti in gomma.
La dispersione a ultrasuoni delle nanoparticelle di silice consente di controllare esattamente i parametri del processo, ottenendo una morfologia sferica, dimensioni delle particelle regolate con precisione e una distribuzione dimensionale molto stretta.
La silice dispersa mediante ultrasuoni consente di ottenere le massime prestazioni della gomma così rinforzata.
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Dispersione a ultrasuoni di additivi rinforzanti
È stato dimostrato che la sonicazione disperde molti altri materiali nanoparticellari per migliorare il modulo, la resistenza alla trazione e le proprietà a fatica dei compositi di gomma. Poiché le dimensioni, la forma, la superficie e l’attività superficiale delle particelle delle cariche e degli additivi rinforzanti sono cruciali per le loro prestazioni, i dispersori a ultrasuoni potenti e affidabili rappresentano uno dei metodi più frequentemente utilizzati per incorporare particelle di dimensioni micrometriche e nanometriche nei prodotti in gomma.
Gli additivi e le cariche tipici incorporati mediante sonicazione nelle matrici di gomma come particelle distribuite uniformemente o monodisperse sono carbonato di calcio, argilla caolinica, silice pirogenica, silice precipitata, ossido di grafite, grafene, mica, talco, barite, wollastonite, silicati precipitati, silice pirogenica e diatomite.
Quando le nanoparticelle di TiO2 funzionalizzate con acido oleico vengono disperse mediante ultrasuoni nella gomma stirene-butadiene, anche una quantità molto piccola di SiO2 oleica determina un miglioramento significativo del modulo, della resistenza alla trazione e delle proprietà a fatica e agisce come agente protettivo contro la fotodegradazione e la degradazione termica.
- L’allumina triidrata (Al2O3) viene aggiunta come ritardante di fiamma, per migliorare la conducibilità termica e per la resistenza alle correnti superficiali e all’erosione.
- Le cariche di ossido di zinco (ZnO) aumentano la permittività relativa e la conducibilità termica.
- Il biossido di titanio (TiO2) migliora la conducibilità termica ed elettrica.
- Il carbonato di calcio (CaCO3) viene utilizzato come additivo per le sue proprietà meccaniche, reologiche e ritardanti di fiamma.
- Il titanato di bario (BaTiO3) aumenta la stabilità termica.
- Il grafene e l’ossido di grafene (GO) conferiscono caratteristiche meccaniche, elettriche, termiche e ottiche superiori al materiale.
- I nanotubi di carbonio (CNTs) migliorano significativamente le proprietà meccaniche, come la resistenza alla trazione e la conducibilità elettrica e termica.
- I nanotubi di carbonio a parete multipla (MWNTs) migliorano il modulo di Young e la resistenza allo snervamento. Ad esempio, appena 1 wt.% di MWNTs in una resina epossidica determina un aumento del modulo di Young e della resistenza allo snervamento rispettivamente del 100% e del 200%, rispetto alla matrice pura.
- I nanotubi di carbonio a parete singola (SWNTs) migliorano le proprietà meccaniche e la conducibilità termica.
- Le nanofibre di carbonio (CNF) conferiscono resistenza meccanica, resistenza al calore e durata.
- Nanoparticelle metalliche come nichel, ferro, rame, zinco, alluminio e argento vengono aggiunte per migliorare la conducibilità elettrica e termica.
- Nanomateriali organici come la montmorillonite migliorano le proprietà meccaniche e ritardanti di fiamma.
Sistemi di dispersione a ultrasuoni
Hielscher Ultrasonics offre un’ampia gamma di apparecchiature a ultrasuoni – dai sistemi da banco più piccoli per prove di fattibilità fino alle robuste unità di sonicazione industriali con potenza fino a 16kW per unità. Potenza, affidabilità, controllabilità precisa e robustezza rendono i sistemi di dispersione a ultrasuoni di Hielscher il “cavallo da tiro” nella linea di produzione delle formulazioni con particelle micrometriche e nanometriche. I nostri sonicatori sono in grado di trattare dispersioni acquose e a base di solventi fino a viscosità elevate (fino a 10.000cp) con facilità. Diversi sonotrodi (corni a ultrasuoni), booster (amplificatori/riduttori), geometrie delle celle di flusso e altri accessori consentono di adattare in modo ottimale il dispersore a ultrasuoni al prodotto e alle esigenze del processo.
I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher Ultrasonics possono erogare ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere utilizzate immediatamente in funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher consente 24/7 il funzionamento a carichi gravosi e in ambienti impegnativi. I dispersori a ultrasuoni di Hielscher sono installati in tutto il mondo per la produzione commerciale su larga scala.
Configurazione a ultrasuoni personalizzata per nanodispersioni
| Volume del lotto | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| Da 10 a 2000mL | Da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| Da 0,1 a 20L | Da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| Da 10 a 100L | Da 2 a 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | Da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superiore | gruppo di UIP16000 |
Bibliografia / Riferimenti
- 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.
Informazioni utili
Gomma sintetica
Una gomma sintetica è qualsiasi elastomero artificiale. Le gomme sintetiche sono principalmente polimeri sintetizzati da sottoprodotti del petrolio e sono prodotte, come altri polimeri, a partire da vari monomeri derivati dal petrolio. La gomma sintetica più diffusa è la gomma stirene-butadiene (SBR), ottenuta dalla copolimerizzazione di stirene e 1,3-butadiene. Altre gomme sintetiche vengono preparate da 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 e altri monomeri possono essere miscelati in varie proporzioni e copolimerizzati per ottenere prodotti con diverse proprietà fisiche, meccaniche e chimiche. I monomeri possono essere prodotti puri e l’aggiunta di impurità o additivi può essere controllata in fase di progettazione per conferire proprietà ottimali. La polimerizzazione di monomeri puri può essere controllata meglio per ottenere la proporzione desiderata di doppi legami cis e trans.
La gomma sintetica, come quella naturale, è ampiamente utilizzata nell’industria automobilistica per pneumatici, profili di porte e finestre, tubi flessibili, cinghie, tappetini e pavimentazioni.
Gomma naturale
La gomma naturale è nota anche come gomma indiana o caucciù. La gomma naturale è classificata come elastomero ed è costituita principalmente da polimeri del composto organico poli-cis-isoprene e acqua. Contiene tracce di impurità come proteine, sporco ecc. La gomma naturale, ottenuta sotto forma di lattice dall’albero della gomma Hevea Brasiliensis, presenta eccellenti proprietà meccaniche. Tuttavia, rispetto alle gomme sintetiche, la gomma naturale offre prestazioni inferiori, soprattutto per quanto riguarda la stabilità termica e la compatibilità con i prodotti petroliferi. La gomma naturale ha un’ampia gamma di applicazioni, sia da sola sia in combinazione con altri materiali. Viene utilizzata soprattutto per il suo elevato rapporto di allungamento, l’alta resilienza e l’impermeabilità all’acqua estremamente elevata. Il punto di fusione della gomma è di circa 180°C (356°F).
La tabella seguente offre una panoramica dei vari tipi di gomma:
| ISO | Nome tecnico | Nome comune |
|---|---|---|
| ACM | Gomma poliacrilica | |
| AEM | Gomma etilene-acrilato | |
| AU | Uretano poliestere | |
| BIIR | Isobutilene-isoprene bromurato | Bromobutile |
| BR | Polibutadiene | Buna CB |
| CIIR | Isobutilene-isoprene clorurato | Clorobutile, butile |
| CR | Policloroprene | Cloroprene, Neoprene |
| CSM | Polietilene clorosolfonato | Hypalon |
| ECO | Epicloridrina | ECO, epicloridrina, Epichlore, Epichloridrine, Herclor, Hydrin |
| EP | Etilene-propilene | |
| EPDM | Monomero etilene-propilene-diene | EPDM, Nordel |
| EU | Uretano polietere | |
| FFKM | Gomma perfluorocarbonica | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Idrocarburo fluorurato | Viton, Fluorel |
| FMQ | Fluorosilicone | FMQ, gomma siliconica |
| FPM | Gomma fluorocarbonica | |
| HNBR | Nitrile-butadiene idrogenato | HNBR |
| IR | Poliisoprene | Gomma naturale (sintetica) |
| IIR | Butile isobutilene-isoprene | 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-butilene-stirene | Gomma SEBS |
| SI | Polisilossano | Gomma siliconica |
| VMQ | Silicone vinilmetilico | Gomma siliconica |
| XNBR | Acrilonitrile-butadiene con monomero carbossilico | XNBR, nitrile carbossilato |
| XSBR | Stirene-butadiene con monomero carbossilico | |
| YBPO | Polietere-estere termoplastico | |
| YSBR | Copolimero a blocchi stirene-butadiene | |
| YXSBR | Copolimero a blocchi stirene-butadiene carbossilato |
SBR
Stirene-butadiene o gomma stirene-butadiene (SBR) indica le gomme sintetiche derivate da stirene e butadiene. Lo stirene-butadiene rinforzato è caratterizzato da un’elevata resistenza all’abrasione e da buone proprietà di resistenza all’invecchiamento. Il rapporto tra stirene e butadiene determina le proprietà del polimero: con un elevato contenuto di stirene, le gomme diventano più dure e meno gommose.
I limiti dell’SBR non rinforzato sono dovuti alla bassa resistenza in assenza di rinforzo, alla bassa resilienza, alla bassa resistenza allo strappo (soprattutto ad alte temperature) e alla scarsa adesività. Sono quindi necessari agenti rinforzanti e cariche per migliorare le proprietà dell’SBR. Ad esempio, le cariche di nerofumo vengono utilizzate per aumentare notevolmente la resistenza meccanica e all’abrasione.
Stirene
Lo stirene (C8H8) è noto con vari termini, come etenilbenzene, vinilbenzene, feniletene, feniletilene, cinnamene, stirolo, diarex HF 77, stirolene e styropol. È un composto organico con formula chimica C6H5CH=CH2. Lo stirene è il precursore del polistirene 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 dolciastro che, ad alte concentrazioni, diventa meno gradevole.
In presenza di un gruppo vinilico, lo stirene forma un polimero. I polimeri a base di stirene vengono prodotti commercialmente per ottenere prodotti come 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, materiali isolanti, vetroresina, tubi, parti di automobili e imbarcazioni, contenitori per alimenti e supporti per moquette.
Applicazioni della gomma
La gomma presenta numerose caratteristiche, come resistenza meccanica, lunga durata, resistenza all’acqua e al calore. Queste proprietà la rendono molto versatile, tanto da essere utilizzata in molti settori industriali. L’impiego principale della gomma è nell’industria automobilistica, soprattutto per la produzione di pneumatici. Ulteriori caratteristiche, come le proprietà antiscivolo, la morbidezza, la durata e la resilienza, rendono la gomma un composito ampiamente utilizzato per la produzione di calzature, pavimentazioni, forniture mediche e sanitarie, prodotti per la casa, giocattoli, articoli sportivi e molti altri prodotti in gomma.
Nanoadditivi e cariche
Le cariche e gli additivi di dimensioni nanometriche nelle gomme agiscono come agenti rinforzanti e protettivi per migliorare la resistenza alla trazione, all’abrasione e allo strappo, l’isteresi e per proteggere la gomma dalla fotodegradazione e dalla degradazione termica.
Silice
La silice (SiO2, biossido di silicio) viene utilizzata in molte forme, come la silice amorfa, ad es. silice pirogenica, fumo di silice e silice precipitata, per migliorare le caratteristiche del materiale in termini di proprietà meccaniche dinamiche, resistenza all’invecchiamento termico e morfologia. I composti caricati con silice mostrano un aumento della viscosità e della densità di reticolazione al crescere del contenuto di carica. Durezza, modulo, resistenza alla trazione e caratteristiche di usura sono stati migliorati progressivamente aumentando la quantità di carica di silice.
Nerofumo
Il nerofumo è una forma di carbonio paracristallino con complessi di ossigeno chemisorbiti (come gruppi carbossilici, chinonici, lattonici, fenolici e altri) legati alla sua superficie. Questi gruppi superficiali contenenti ossigeno vengono solitamente raggruppati sotto il termine “complessi volatili”. A causa di questo contenuto volatile, il nerofumo è un materiale non conduttivo. Le particelle di nerofumo funzionalizzate con complessi carbonio-ossigeno sono più facili da disperdere.
L’elevato rapporto superficie/volume del nerofumo ne fa una carica rinforzante comune. Quasi tutti i prodotti in gomma per i quali sono essenziali la resistenza alla trazione e all’abrasione utilizzano nerofumo. La silice precipitata o pirogenica viene utilizzata come sostituto del nerofumo quando è necessario rinforzare la gomma, ma si vuole evitare il colore nero. Tuttavia, le cariche a base di silice stanno guadagnando quote di mercato anche negli pneumatici per autoveicoli, poiché il loro utilizzo comporta una minore perdita per rotolamento rispetto agli pneumatici caricati con nerofumo.
La tabella seguente offre una panoramica dei tipi di nerofumo utilizzati negli pneumatici
| Nome | Abbrev. | ASTM | Dimensione delle particelle nm | Resistenza alla trazione MPa | Abrasione relativa in laboratorio | Abrasione relativa nell’uso su strada |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Nerofumo da forno a resistenza all’abrasione superiore | SAF | N110 | 20–25 | 25,2 | 1,35 | 1,25 |
| SAF intermedio | ISAF | N220 | 24–33 | 23,1 | 1,25 | 1,15 |
| Nerofumo da forno ad alta resistenza all’abrasione | HAF | N330 | 28–36 | 22,4 | 1,00 | 1,00 |
| Nerofumo da canale a facile lavorazione | EPC | N300 | 30–35 | 21,7 | 0,80 | 0,90 |
| Nerofumo da forno a estrusione rapida | FEF | N550 | 39–55 | 18,2 | 0,64 | 0,72 |
| Nerofumo da forno ad alto modulo | HMF | N660 | 49–73 | 16,1 | 0,56 | 0,66 |
| Nerofumo da forno semirinforzante | SRF | N770 | 70–96 | 14,7 | 0,48 | 0,60 |
| Nerofumo termico fine | FT | N880 | 180–200 | 12,6 | 0,22 | – |
| Nerofumo termico medio | MT | N990 | 250–350 | 9,8 | 0,18 | – |
Ossido di grafene
L’ossido di grafene disperso nell’SBR conferisce un’elevata resistenza alla trazione e allo strappo, nonché un’eccezionale resistenza all’usura e una bassa resistenza al rotolamento, proprietà del materiale importanti per la produzione di pneumatici. L’SBR rinforzato con ossido di grafene e silice offre un’alternativa competitiva per una produzione di pneumatici rispettosa dell’ambiente 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 mediante sonicazione. Fai clic qui per saperne di più sulla produzione di grafene mediante ultrasuoni!