Preparazione a ultrasuoni della gomma rinforzata
- Le gomme rinforzate presentano una maggiore resistenza alla trazione, all'allungamento, all'abrasione e una migliore stabilità all'invecchiamento.
- Riempitivi come il nero di carbonio (ad esempio CNT, MWNT), il grafene o la silice devono essere dispersi in modo omogeneo nella matrice per fornire le proprietà desiderate del materiale.
- Gli ultrasuoni di potenza forniscono una qualità di distribuzione superiore di nanoparticelle monodisperse con proprietà altamente rinforzanti.
Dispersione a ultrasuoni
L'ultrasuonoterapia è ampiamente utilizzata per la dispersione di nano materiali come nanoparticelle monodisperse e nanotubi, poiché gli ultrasuoni migliorano notevolmente la separazione e la funzionalizzazione delle particelle e dei tubi.
L'apparecchiatura di dispersione a ultrasuoni crea cavitazione e forze di taglio elevate per disgregare, deagglomerare, districare e disperdere nano particelle e nanotubi. L'intensità della sonicazione può essere regolata e controllata con precisione in modo da adattare perfettamente i parametri di lavorazione a ultrasuoni, tenendo conto della concentrazione, dell'agglomerazione e dell'allineamento/aggrovigliamento del nano materiale. In questo modo, i nano materiali possono essere lavorati in modo ottimale in base ai loro requisiti specifici. Le condizioni di dispersione ottimali, grazie ai parametri di processo a ultrasuoni regolati individualmente, consentono di ottenere un nanocomposito di gomma di alta qualità con caratteristiche di rinforzo superiori dei nano-additivi e dei riempitivi.
Grazie alla qualità superiore della dispersione a ultrasuoni e alla dispersione uniforme ottenuta, è sufficiente un carico di riempimento molto basso per ottenere caratteristiche eccellenti del materiale.
Sistema industriale a ultrasuoni
Gomma rinforzata con ultrasuoni al carbonio nero
Il nerofumo è uno dei riempitivi più importanti nelle gomme, soprattutto per gli pneumatici, per conferire al materiale di gomma resistenza all'abrasione e alla trazione. Le particelle di nerofumo sono fortemente inclini a formare aggregati difficili da disperdere in modo omogeneo. Il nerofumo è comunemente utilizzato in vernici, smalti, inchiostri da stampa, coloranti per nylon e plastica, miscele di lattice, miscele di cera, rivestimenti fotografici e altro ancora.
La dispersione a ultrasuoni consente di deagglomerare e miscelare in modo uniforme con un'elevata monodispersione delle particelle.
Cliccate qui per saperne di più sulla dispersione ad ultrasuoni per i compositi rinforzati!
Gomma rinforzata con CNT e MWCNT a ultrasuoni
Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono potenti sistemi di dispersione che possono essere controllati e regolati con precisione in base ai requisiti del processo e del materiale. Il controllo preciso dei parametri del processo a ultrasuoni è particolarmente importante per la dispersione di nanotubi come gli MWNT o gli SWNT, in quanto i nanotubi devono essere districati in tubi singoli senza subire danni (ad esempio, scissione). I nanotubi non danneggiati offrono un elevato rapporto d'aspetto (fino a 132.000.000:1), in modo da garantire un'eccezionale resistenza e rigidità quando vengono formulati in un composito. Una potente sonicazione, regolata con precisione, supera le forze di Van der Waals e disperde e districa i nanotubi, ottenendo un materiale di gomma ad alte prestazioni con un'eccezionale resistenza alla trazione e un modulo elastico.
Inoltre, funzionalizzazione a 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 rinforzata con ultrasuoni con nano-silice
I dispersori a ultrasuoni forniscono una distribuzione altamente uniforme delle particelle di silice (SiO2) in soluzioni di polimeri di gomma. La silice (SiO2) devono essere distribuite in modo omogeneo come particelle monodisperse nello stirene-butadiene polimerizzato e in altre gomme. Nano-SiO mono-disperso2 agiscono come agenti rinforzanti, migliorando significativamente la tenacità, la resistenza, l'allungamento, la flessione e le prestazioni anti-invecchiamento. Si applica alle nano particelle: Quanto più piccole sono le dimensioni delle particelle, tanto maggiore è l'area superficiale specifica delle particelle. Con un rapporto superficie/volume (S/V) più elevato, si ottengono migliori effetti strutturali e di rinforzo, che aumentano la resistenza alla trazione e la durezza dei prodotti in gomma.
La dispersione a ultrasuoni di nano particelle di silice consente di controllare esattamente i parametri del processo in modo da ottenere una morfologia sferica, una dimensione delle particelle regolata con precisione e una distribuzione dimensionale molto stretta.
La silice dispersa a ultrasuoni garantisce le massime prestazioni della gomma rinforzata.
Clicca qui per saperne di più sulla dispersione a ultrasuoni di SiO2!
Dispersione a ultrasuoni di 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 di gomma. Poiché le dimensioni, la forma, l'area superficiale e l'attività superficiale delle cariche e degli additivi di rinforzo sono fondamentali per le loro prestazioni, i dispersori a ultrasuoni potenti e affidabili sono uno dei metodi più utilizzati per formulare particelle di dimensioni micro e nano nei prodotti in gomma.
Tipici additivi e riempitivi, 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 fumata, la silice precipitata, l'ossido di grafite, il grafene, la mica, il talco, la barite, la wollastonite, i silicati precipitati, la silice fumata e la diatomite.
Quando l'acido oleico funzionalizzato TiO2 nanoparticelle sono disperse ad ultrasuoni nella gomma stirene-butadiene, anche una quantità molto piccola di oleico-SiO2 risulta significativamente migliorato nel modulo, nella resistenza alla trazione e nelle proprietà di fatica e funziona come agente protettivo contro la foto e la termo degradazione.
- Allumina triidrata (Al2O3) viene aggiunto come ritardante di fiamma, per migliorare la conduttività termica e per la resistenza alla tracciabilità e all'erosione.
- Le cariche di ossido di zinco (ZnO) aumentano la permittività relativa e la conduttività termica.
- Biossido di titanio (TiO2) migliora la conducibilità termica ed elettrica.
- Carbonato di calcio (CaCO3) viene utilizzato come additivo per le sue proprietà meccaniche, reologiche e di ritardo di fiamma.
- Titanato di bario (BaTiO3) aumenta la stabilità termica.
- Grafene e l'ossido di grafene (GO) forniscono caratteristiche meccaniche, elettriche, termiche e ottiche superiori.
- Nanotubi di carbonio (CNT) migliorano notevolmente le proprietà meccaniche, come la resistenza alla trazione e la conducibilità elettrica e termica.
- I nanotubi di carbonio a parete multipla (MWNT) migliorano il modulo di Young e la resistenza allo snervamento. Ad esempio, anche solo 1 wt.% di MWNT 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.
- Nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT) migliorano le proprietà meccaniche e la conduttività termica.
- Le nanofibre di carbonio (CNF) aggiungono forza, resistenza al calore e durata.
- Le nanoparticelle metalliche come nichel, ferro, 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 prodotti di apparecchiature a ultrasuoni – dai sistemi da banco più piccoli per i test di fattibilità fino ai sistemi per impieghi gravosi. unità industriali ad ultrasuoni con un massimo di 16kW per unità. Potenza, affidabilità, controllabilità precisa e robustezza fanno dei sistemi di dispersione a ultrasuoni di Hielscher la soluzione ideale per la produzione di acqua calda. “cavallo da lavoro” nella linea di produzione di formulazioni micron e nano-particolate. I nostri ultrasuonatori sono in grado di trattare dispersioni acquose e a base di solvente fino a viscosità elevate (fino a 10.000 cp) facilmente. Vari sonotrodi (trombe a ultrasuoni), booster (intensificatore/decreatore), geometrie della cella di flusso e altri accessori consentono di adattare in modo ottimale il dispersore a ultrasuoni al prodotto e ai suoi requisiti di processo.
Hielscher Ultrasonics’ I processori industriali ad ultrasuoni possono fornire ampiezze elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere gestite in modo continuo e tempestivo 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher permette di 24 ore su 24, 7 giorni su 7 operazione a per impieghi gravosi e in ambienti difficili. I dispersori a ultrasuoni di Hielscher sono installati in tutto il mondo per la produzione commerciale su larga scala.
Configurazione ultrasonica personalizzata per le 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 / 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.
Particolarità / Cose da sapere
Gomma sintetica
La gomma sintetica è un elastomero artificiale. Le gomme sintetiche sono principalmente polimeri sintetizzati da sottoprodotti del petrolio e sono prodotte, come altri polimeri, da vari monomeri a base di petrolio. La gomma sintetica più diffusa è la gomma stirene-butadiene (SBR), derivata dalla copolimerizzazione di stirene e 1,3-butadiene. Altre gomme sintetiche sono preparate a partire 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 una gamma di proprietà fisiche, meccaniche e chimiche. I monomeri possono essere prodotti puri e l'aggiunta di impurità o additivi può essere controllata da progetto per ottenere proprietà ottimali. La polimerizzazione dei monomeri puri può essere controllata meglio 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, cinghie, tappeti e pavimenti.
gomma naturale
La gomma naturale è nota anche come gomma d'India o caucciù. La gomma naturale è classificata come elastomero ed è costituita principalmente da polimeri del composto organico policis-isoprene e acqua. Contiene tracce di impurità come proteine, sporcizia, ecc. La gomma naturale, che si ricava come lattice dall'albero della gomma Hevea Brasiliensismostra eccellenti proprietà meccaniche. Tuttavia, rispetto alle gomme sintetiche, la gomma naturale ha 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 che in combinazione con altri materiali. Viene utilizzata soprattutto per il suo ampio rapporto di elasticità, l'elevata resilienza e l'altissima impermeabilità. Il punto di fusione della gomma è di circa 180°C (356°F).
La tabella seguente fornisce una panoramica dei vari tipi di gomma:
| ISO | Nome tecnico | Nome comune |
|---|---|---|
| ACM | Gomma poliacrilata | |
| AEM | Gomma etilene-acrilato | |
| AU | Poliestere Uretano | |
| BIIR | Bromo Isobutilene Isoprene | Bromobutile |
| BR | Polibutadiene | Buna CB |
| CIIR | Cloro Isobutilene Isoprene | Clorobutile, Butile |
| CR | Policloroprene | Cloroprene, Neoprene |
| CSM | Polietilene clorosolfonato | Hypalon |
| ECO | Epicloroidrina | ECO, Epichlorohydrin, Epichlore, Epichloridrine, Herclor, Hydrin |
| EP | Etilene Propilene | |
| EPDM | Etilene Propilene Diene Monomero | EPDM, Nordel |
| UE | Polietere uretanico | |
| FFKM | Gomma perfluorocarbonica | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Idrocarburo fluorato | Viton, Fluorel |
| FMQ | Silicone fluorurato | FMQ, gomma siliconica |
| FPM | Gomma al fluorocarbonio | |
| HNBR | Nitrile butadiene idrogenato | HNBR |
| IR | Polisoprene | Gomma naturale (sintetica) |
| IIR | 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 butilene stirene | Gomma SEBS |
| Si | Polisilossano | Gomma di silicone |
| VMQ | Vinil metil silicone | Gomma di silicone |
| XNBR | Acrilonitrile Butadiene Carbossi Monomero | XNBR, nitrile carbossilato |
| XSBR | Stirene butadiene carbossi monomero | |
| YBPO | Poliestere termoplastico | |
| YSBR | Copolimero a blocchi stirene-butadiene | |
| YXSBR | Copolimero a blocchi di stirene butadiene carbossilico |
SBR
La gomma stirene-butadiene o gomma stirene-butadiene (SBR) descrive le gomme sintetiche derivate dallo stirene e dal butadiene. Lo stirene-butadiene rinforzato si caratterizza per l'elevata resistenza all'abrasione e le buone proprietà anti-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 sua bassa resistenza senza rinforzo, alla bassa resilienza, alla bassa resistenza alla lacerazione (in particolare alle alte temperature) e alla scarsa adesività. Per migliorare le proprietà dell'SBR sono quindi necessari agenti rinforzanti e cariche. Ad esempio, le cariche di nerofumo sono utilizzate per migliorare la resistenza e la resistenza all'abrasione.
Stirene
Stirene (C8H8) è conosciuto con vari termini come etenilbenzene, vinilbenzene, feniletene, feniletilene, cinnamene, stirolo, diarex HF 77, stirolene e stiropolo. 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 dolce, che ad alte concentrazioni si trasforma in un odore 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 il polistirene, l'ABS, la gomma stirene-butadiene (SBR), il lattice stirene-butadiene, il SIS (stirene-isoprene-stirene), l'S-EB-S (stirene-etilene/butilene-stirene), lo stirene-divinilbenzene (S-DVB), la resina stirene-acrilonitrile (SAN) e i poliesteri insaturi che vengono utilizzati nelle resine e nei 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 supporti per tappeti.
Applicazioni della gomma
La gomma ha molte caratteristiche come la resistenza, la lunga durata, la resistenza all'acqua e al calore. Queste proprietà rendono la gomma molto versatile, tanto da essere utilizzata in molti settori. L'uso principale della gomma è nell'industria automobilistica, soprattutto per la produzione di pneumatici. Altre caratteristiche come la non scivolosità, la morbidezza, la durata e la resilienza rendono la gomma un materiale composito molto utilizzato per la produzione di scarpe, pavimenti, forniture mediche e sanitarie, prodotti per la casa, giocattoli, articoli sportivi e molti altri prodotti in gomma.
Nano-additivi e riempitivi
Le cariche e gli additivi di dimensioni nanometriche nelle gomme agiscono come agenti rinforzanti e protettivi per migliorare la resistenza alla trazione, all'abrasione, alla lacerazione, all'isteresi e per preservare dalla degradazione termica e fotografica della gomma.
silice
Silice (SiO2Il biossido di silicio) è utilizzato in molte forme, come la silice amorfa, ad esempio la silice fumata, il fumo di silice, la silice precipitata, per migliorare le caratteristiche dei materiali per quanto riguarda le proprietà meccaniche dinamiche, la resistenza all'invecchiamento termico e la morfologia. I composti riempiti di silice mostrano un aumento della viscosità e della densità di reticolazione rispettivamente all'aumentare del contenuto di riempitivo. La durezza, il modulo, la resistenza alla trazione e le caratteristiche di usura sono state migliorate progressivamente aumentando la quantità di silice e di riempitivo.
Nero carbone
Il nerofumo è una forma di carbonio paracristallino con complessi di ossigeno chimicamente assorbiti (come gruppi carbossilici, chinonici, lattonici, fenolici e altri) attaccati alla sua superficie. Questi gruppi di ossigeno superficiali sono solitamente raggruppati sotto il termine di “complessi volatili”. A causa di questo contenuto volatile, il nero carbone è un materiale non conduttivo. Con i complessi carbonio-ossigeno, le particelle di nero carbone funzionalizzate sono più facili da disperdere.
L'elevato rapporto superficie/volume del nerofumo lo rende un comune riempitivo di rinforzo. Quasi tutti i prodotti in gomma, per i quali la resistenza alla trazione e all'abrasione sono essenziali, utilizzano il nerofumo. La silice precipitata o fumata viene utilizzata come sostituto del nerofumo, quando è necessario rinforzare la gomma ma il colore nero deve essere evitato. Tuttavia, le cariche a base di silice stanno guadagnando quote di mercato anche nei pneumatici per autoveicoli, perché l'uso di tali cariche determina una minore perdita di rotolamento rispetto ai pneumatici riempiti di nerofumo.
La tabella che segue fornisce 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 da usura stradale |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Forno a 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-rinforzo | SRF | N770 | 70-96 | 14.7 | 0.48 | 0.60 |
| Termico 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 alla lacerazione, nonché un'eccezionale resistenza all'usura e al basso rotolamento, 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 rispettosi 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 facile sotto sonicazione. Cliccate qui per saperne di più sulla fabbricazione ad ultrasuoni del grafene!