超音波処理による有利なヒドロゲル生産
超音波処理は、高性能ヒドロゲルの調製のための非常に効果的で信頼性が高く、そして簡単な技術です。これらのハイドロゲルは、吸収能力、粘弾性、機械的強度、圧縮弾性率、自己修復機能などの優れた材料特性を提供します。
ヒドロゲル製造のための超音波重合と分散
ハイドロゲルは、親水性の三次元ポリマーネットワークであり、大量の水や液体を吸収することができます。ハイドロゲルは、並外れた膨潤能力を示します。ヒドロゲルの一般的な構成要素には、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸ナトリウム、アクリレートポリマー、カルボマー、多糖類、または親水性基の数が多いポリペプチド、コラーゲン、ゼラチン、フィブリンなどの天然タンパク質が含まれます。
いわゆるハイブリッドハイドロゲルは、タンパク質、ペプチド、ナノ/ミクロ構造など、化学的、機能的、形態学的に異なる様々な材料で構成されています。
超音波分散液は、カーボンナノチューブ(CNT、MWCNT、SWCNT)、セルロースナノ結晶、キチンナノファイバー、二酸化チタン、銀ナノ粒子、タンパク質、その他のミクロンまたはナノ構造などのナノ材料をハイドロゲルの高分子マトリックスに均質化するための非常に効率的で信頼性の高い技術として広く使用されています。これにより、超音波処理は、並外れた品質を持つ高性能ハイドロゲルを製造するための主要なツールになります。

超音波装置 UIP1000hdT ガラス製リアクター付き、ハイドロゲル合成用
研究が示すこと – 超音波ハイドロゲル調製
第一に、超音波処理は、ヒドロゲル形成中の重合および架橋反応を促進する。
第二に、超音波処理は、ヒドロゲルおよびナノ複合ヒドロゲルの製造のための信頼性および効果的な分散技術として証明されている。
ヒドロゲルの超音波架橋と重合
超音波処理は、フリーラジカル生成を介してヒドロゲル合成中の高分子ネットワークの形成を支援します。強い超音波は音響キャビテーションを生成し、高せん断力、分子せん断、フリーラジカル形成を引き起こします。
Cass et al. (2010) は、いくつかの “アクリルヒドロゲルは、水溶性モノマーおよびマクロモノマーの超音波重合によって調製した。超音波を使用して、37°Cの開放系で添加剤のグリセロール、ソルビトール、またはグルコースを使用して、粘性水性モノマー溶液中に開始ラジカルを作製しました。 水溶性添加剤はハイドロゲルの製造に不可欠であり、グリセロールが最も効果的でした。ヒドロゲルは、モノマーの2-ヒドロキシエチルメタクリレート、ポリ(エチレングリコール)ジメタクリレート、メタクリレートデキストラン、アクリル酸/エチレングリコールジメタクリレート、アクリルアミド/ビスアクリルアミドから調製しました。” [Cass et al. 2010]プローブ超音波装置を使用した超音波アプリケーションは、水溶性ビニルモノマーの重合およびその後のヒドロゲルの調製のための効果的な方法であることがわかった。超音波で開始された重合は、化学的開始剤の不在下で急速に起こる。
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- ナノ粒子、例えばTiO2
- カーボンナノチューブ(CNT)
- セルロースナノクリスタル(CNC)
- セルロースナノフィブリル
- ガム、例えばキサンタン、セージシードガム
- タンパク質

MWCNTsを含有するポリアクリルアミド-co-イタコン酸ハイドロゲルのSEM。MWCNTは、超音波装置を使用して超音波で分散させた UP200Sの.
研究と写真:Mohammadinezhada et al., 2018
ポリ(アクリルアミド-コ-イタコン酸)の作製 – 超音波処理を使用したMWCNTヒドロゲル
Mohammadinezhadaら(2018)は、ポリ(アクリルアミド-コ-イタコン酸)と多層カーボンナノチューブ(MWCNT)を含む高吸水性ヒドロゲル複合材料の製造に成功しました。超音波処理はヒールシャー超音波装置を用いて行った UP200Sの.ハイドロゲルの安定性は、MWCNT比の増加とともに増加しましたが、これはMWCNTの疎水性の性質と架橋剤密度の増加に起因する可能性があります。P(AAm-co-IA)ハイドロゲルの保水能力(WRC)もMWCNTの存在下(10 wt%)で増加しました。この研究では、超音波処理の効果は、ポリマー表面上のカーボンナノチューブの均一な分布に関して優れていると評価されました。MWCNTは、ポリマー構造に中断することなく無傷でした。さらに、得られたナノ複合材料の強度とその保水能力、およびPb(II)などの他の可溶性材料の吸収が増加しました。超音波処理は開始剤を切断し、温度上昇下でポリマー鎖中の優れた充填剤としてMWCNTを分散させた。
研究者たちは、これらを結論付けています “従来の方法では反応条件を達成できず、粒子の均一性とホストへの良好な分散は達成できません。さらに、超音波処理は、攪拌しながらナノ粒子を単一の粒子に分離するが、これを行うことはできない。また、水素結合などの二次結合に強力な音波が作用することで、粒子のH結合が切断され、凝集した粒子が解離して-OHなどの自由吸着基やアクセス性が増加するというメカニズムもあります。したがって、この重要な出来事は、文献に適用される磁気攪拌のような他の方法よりも優れた方法として超音波処理プロセスを作ります。” [Mohammadinezhadaら、2018]
ハイドロゲル合成のための高性能超音波装置
ヒールシャー超音波は、ヒドロゲルの合成のための高性能超音波装置を製造しています。中小Rより&Dおよびパイロット超音波装置は、連続モードでの商用ヒドロゲル製造のための産業用システムへ、ヒールシャー超音波は、あなたのプロセス要件をカバーしています。
工業用グレードの超音波処理器は、信頼性の高い架橋および重合反応およびナノ粒子の均一な分散を可能にする非常に高い振幅を提供することができる。最大200μmの振幅を24/7/365操作で簡単に連続運転できます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。
- 高効率
- 最先端のテクノロジー
- 確実 & 丈夫
- バッチ & インライン
- 任意のボリュームに対応
- インテリジェントソフトウェア
- スマート機能(データプロトコルなど)
- CIP (定置洗浄)
追加の技術情報、価格、および非確定的な見積もりについては、今すぐお問い合わせください。長年の経験豊富なスタッフが喜んでご相談に応じます!
以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。
バッチボリューム | 流量 | 推奨デバイス |
---|---|---|
1〜500mL | 10〜200mL/分 | UP100Hの |
10〜2000mL | 20〜400mL/分 | UP200HTの, UP400セント |
0.1〜20L | 0.2 から 4L/min | UIP2000hdT |
10〜100L | 2〜10L/分 | UIP4000hdTの |
N.A. | 10〜100L/min | UIP16000 |
N.A. | 大きい | クラスタ UIP16000 |
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知っておく価値のある事実
ハイドロゲルは何に使用されますか?
ハイドロゲルは、製薬会社などの多くの業界で、薬物送達(例:徐放性、経口、静脈内、局所または直腸の薬物送達)、医薬品(例:組織工学の足場、乳房インプラント、生体力学材料、創傷被覆材)、化粧品、ケア製品(例:コンタクトレンズ、おむつ、生理用ナプキン)、農業(例:農薬製剤、乾燥地域の土壌水分を保持するための顆粒剤)、 機能性高分子(水ゲル爆薬、量子ドット封入、熱力学的発電など)、石炭脱水、人工雪、食品添加物、その他製品(糊など)としての材料研究
ハイドロゲルの分類
ヒドロゲルの分類がそれらの物理的構造に応じて行われるとき、次のように分類することができます。
- アモルファス(非結晶性)
- 半結晶性:アモルファス相と結晶相の複雑な混合物
- 結晶
高分子組成に着目すると、ハイドロゲルは次の3つのカテゴリーにも分類できます。
- ホモポリマーハイドロゲル
- 共重合ヒドロゲル
- マルチポリマーハイドロゲル? IPNハイドロゲル
架橋の種類に基づいて、ハイドロゲルは次のように分類されます。
- 化学的架橋ネットワーク:永久ジャンクション
- 物理的にクロスリンクされたネットワーク: トランジェント ジャンクション
外見は、次のように分類されます。
- 行列
- 映画
- マイクロスフェア
ネットワーク電荷に基づく分類:
- 非イオン性(中性)
- イオン性(アニオン性またはカチオン性を含む)
- 両性電解質(両性電解質)
- 双性イオン性(ポリベタイン)
文献/参考文献
- Mohammadinezhada, Alireza; Marandi, Gholam Bagheri; Farsadrooh, Majid; Javadian, Hamedreza (2018): Synthesis of poly(acrylamide-co-itaconic acid)/MWCNTs superabsorbent hydrogel nanocomposite by ultrasound-assisted technique: Swelling behavior and Pb (II) adsorption capacity. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 49, 2018. 1-12.
- Cass, Peter; Knower, Warren; Pereeia, Eliana; Holmes, Natalie P.; Hughes Tim (2010): Preparation of hydrogels via ultrasonic polymerization. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 2, February 2010. 326-332.
- Willfahrt, A., Steiner, E., Hoetzel, J., Crispin, X. (2019): Printable acid-modified corn starch as non-toxic, disposable hydrogel-polymer electrolyte in supercapacitors. Applied Physics A, 125(7), 474.
- Butylina, Svetlana; Geng, Shiyu; Laatikainen, Katri; Oksman, Kristiina (2020): Cellulose Nanocomposite Hydrogels: From Formulation to Material Properties. Frontiers in Chemistry, Vol. 8, 655, 2020.
- Rutgeerts, Laurens A. J.; Soultan, Al Halifa; Subramani, Ramesh; Toprakhisar, Burak; Ramon, Herman; Paderes, Monissa C.; De Borggraeve, Wim M.; Patterson, Jennifer (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chemical Communications Issue 51, 2019.
- Oleyaei, Seyed Amir; Razavi, Seyed Mohammad Ali; Mikkonen, Kirsi S. (2018): Physicochemical and rheo-mechanical properties of titanium dioxide reinforced sage seed gum nanohybrid hydrogel. International Journal of Biological Macromolecules Vol. 118, Part A, 2018. 661-670.