強化複合材料の超音波成形

• 複合材料は、熱安定性、弾性率、引張強度、破壊強度が大幅に向上するなど、ユニークな材料特性を示すため、マニホールド製品の製造に広く使用されています。
• 超音波処理は、CNTやグラフェンなどを高分散させた高品質のナノコンポジットを製造できることが証明されている。
• 強化複合材料の配合のための超音波装置は、工業規模で利用可能である。

ナノコンポジット

ナノ複合材料は、その機械的、電気的、熱的、光学的、電気化学的、触媒的特性によって優れている。
ナノコンポジットは、強化相の体積に対する表面積の比率が非常に高い、あるいはアスペクト比が非常に高いため、従来のコンポジットよりも大幅に性能が向上する。球状シリカのようなナノ粒子、剥離グラフェンや粘土のような鉱物シート、あるいはカーボンナノチューブや電気紡糸繊維のようなナノ繊維が、補強材として頻繁に使用されている。
例えば、カーボンナノチューブは電気伝導性と熱伝導性を向上させるために添加され、ナノシリカは機械的特性、耐熱性、耐水性を向上させるために使用される。他の種類のナノ粒子は、光学特性、誘電特性、耐熱性、あるいは剛性、強度、腐食や損傷に対する耐性などの機械的特性を向上させる。

超音波で調合したナノコンポジットの例：

• ビニルエステルマトリックス中のカーボンナノチューブ（CNT）
• ニッケル金属マトリックス中のCNT / カーボンイオン / ナノダイヤモンド
• マグネシウム合金マトリックス中のCNT
• ポリビニルアルコール（PVA）マトリックス中のCNT
• エポキシ樹脂マトリックス中の多層カーボンナノチューブ（MWCNT）（硬化剤としてメチルテトラヒドロフタル酸無水物（MTHPA）を使用）
• ポリビニルアルコール（PVA）マトリックス中の酸化グラフェン
• マグネシウムマトリックス中のSiCナノ粒子
• ポリスチレンマトリックス中のナノシリカ（Aerosil）
• 軟質ポリウレタン（PU）マトリックス中の磁性酸化鉄
• グラファイト／ポリ塩化ビニル中の酸化ニッケル
• ポリ乳酸-グリコール酸（PLGA）マトリックス中のチタニアナノ粒子
• ポリ乳酸-グリコール酸（PLGA）マトリックス中のナノハイドロキシアパタイト

超音波分散

超音波プロセス・パラメーターは正確に制御でき、材料組成や所望の出力品質に最適に適合させることができる。超音波分散は、CNTやグラフェンなどのナノ粒子をナノコンポジットに組み込むために推奨される技術です。ナノコンポジットの超音波分散と調合は、科学的なレベルで長い間テストされ、多くの工業生産プラントで実施されており、確立された方法です。ナノ材料の超音波処理におけるHielscherの長い経験は、深いコンサルティング、適切な超音波セットアップの推奨、プロセス開発と最適化中の支援を保証します。
ほとんどの場合、強化ナノ粒子は加工中にマトリックス中に分散される。添加されるナノ材料の重量パーセント（質量分率）は、超音波処理によって達成される均一な分散が補強フィラーを節約し、より高い補強性能を可能にするため、例えば0.5％から5％といった低いスケールの範囲にある。
製造における超音波の典型的な応用例は、ナノ粒子樹脂複合材料の調合である。CNT強化ビニルエステルを製造するには、超音波処理を用いてCNTを分散させ、機能化させる。これらのCNT-ビニルエステルは、電気的および機械的特性が向上しているのが特徴である。
CNTの分散についての詳細はこちらをご覧ください！

グラフェン

グラフェンは卓越した物理特性を持ち、アスペクト比が高く、密度が低い。グラフェンと酸化グラフェンを複合マトリックスに組み込むことで、軽量で高強度のポリマーを得ることができる。機械的補強を達成するためには、グラフェンシート／プレートレットを非常に微細に分散させる必要があるが、凝集したグラフェンシートでは補強効果が大幅に制限されてしまうからである。
科学的研究の結果、グラフェンの改善効果は、そのほとんどがマトリックス中のグラフェンシートの分散度合いに依存することが明らかになった。均質に分散したグラフェンのみが、望ましい効果を発揮する。グラフェンはその強い疎水性とファンデルワールス引力により、凝集しやすく、相互作用の弱い単層シートの薄片になりやすい。
一般的な分散技術では、均質でダメージのないグラフェン分散液は得られないことが多いのですが、ハイパワー超音波分散機では高品質のグラフェン分散液が得られます。Hielscher社の超音波装置は、低濃度から高濃度まで、また少量から大量まで、原始グラフェン、酸化グラフェン、還元酸化グラフェンを手間なく取り扱うことができる。一般的に使用される溶媒はN-メチル-2-ピロリドン（NMP）ですが、ハイパワー超音波を使用すれば、アセトン、クロロホルム、IPA、シクロヘキサノンなどの低沸点の貧溶媒でもグラフェンを分散させることができます。
グラフェンのバルク剥離についての詳細はこちらをご覧ください！

カーボンナノチューブとその他のナノ材料

パワー超音波は、カーボンナノチューブ(CNT)、SWNT、MWNT、フラーレン、シリカ(SiO₂)、酸化チタン(TiO₂)、銀(Ag)、酸化亜鉛(ZnO)、ナノフィブリル化セルロース、その他多数。一般的に、超音波分散は従来の分散機よりも優れており、ユニークな結果を得ることができます。
ナノ粒子を粉砕・分散させる以外に、超音波沈殿法（ボトムアップ合成）によりナノ粒子を合成することで、優れた結果が得られる。超音波で合成されたマグネタイト、モリブデン酸亜鉛ナトリウムなどの粒子径は、従来の方法で得られたものに比べて小さいことが観察されている。粒径が小さくなったのは、超音波キャビテーションによって発生するせん断と乱流により、核生成速度が向上し、混合パターンが改善されたためと考えられる。
超音波ボトムアップ析出について詳しくはこちらをご覧ください！

超音波による粒子機能化

粒子の比表面積は、サイズが小さくなるほど大きくなる。特にナノテクノロジーにおいては、粒子の表面積を大きくすることで材料特性の発現が著しく向上する。粒子表面に適切な機能性分子を付着させることで、表面積を超音波的に増大させたり、修飾したりすることができる。ナノ材料の応用と使用に関しては、表面特性は粒子コア特性と同様に重要である。
超音波で官能基化された粒子は、ポリマーや複合材料に広く使用されている。 & バイオコンポジット、ナノ流体、組み立てデバイス、ナノ医薬品など。粒子の機能化により、安定性、強度、耐熱性、耐薬品性などの特性が向上する。 & 剛性、溶解性、多分散性、蛍光性、磁性、超常磁性、光吸収、高電子密度、フォトルミネッセンスなどが劇的に改善される。
Hielscherで商業的に官能基化された一般的な粒子’ 超音波システムには、CNT、SWNT、MWNT、グラフェン、グラファイト、シリカ（SiO₂)、ナノダイヤモンド、マグネタイト(酸化鉄、Fe₃O₄)、銀ナノ粒子、金ナノ粒子、多孔性 & メソポーラス・ナノ粒子など
超音波粒子処理に関するアプリケーションノートはこちらをご覧ください！

超音波分散機

Hielscher社の超音波分散装置は、ラボ用、卓上用、工業用と各種取り揃えております。Hielscher社の超音波装置は、信頼性が高く、堅牢で、操作が簡単で、洗浄が容易です。重負荷条件下でも24時間365日稼働するように設計されています。超音波システムは、バッチ処理およびインライン処理に使用できます。 – 柔軟性があり、お客様のプロセスや要件に容易に適応できます。

超音波バッチおよびインライン容量