강화 복합재의 초음파 배합

• 복합재는 열 안정성, 탄성률, 인장 강도, 파괴 강도가 크게 향상되는 등 고유한 재료 특성을 나타내므로 다양한 제품의 제조에 널리 사용됩니다.
• 초음파 처리는 CNT, 그래핀 등이 고도로 분산된 고품질 나노복합재를 생산하는 것으로 입증되었습니다.
• 강화 복합재 배합용 초음파 장비는 산업 규모로 제공됩니다.

나노복합재

나노복합재는 기계적, 전기적, 열적, 광학적, 전기화학적 및/또는 촉매적 특성이 뛰어납니다.
강화상의 부피 대비 표면적 비율이 매우 높고/또는 종횡비가 매우 높기 때문에 나노복합재는 기존 복합재보다 성능이 훨씬 우수합니다. 구형 실리카와 같은 나노입자, 박리된 그래핀이나 점토와 같은 광물 시트, 또는 탄소나노튜브나 전기방사 섬유와 같은 나노섬유가 강화에 자주 사용됩니다.
예를 들어, 탄소나노튜브는 전기 전도도와 열전도도를 개선하기 위해 첨가되며, 나노 실리카는 기계적 특성, 열적 특성 및 내수성을 개선하는 데 사용됩니다. 다른 종류의 나노입자는 광학적 특성, 유전 특성, 내열성 또는 강성, 강도, 부식 및 손상에 대한 저항성과 같은 기계적 특성을 향상시킵니다.

초음파로 배합한 나노복합재의 예:

• 비닐에스터 매트릭스 내 탄소나노튜브(CNT)
• 니켈 금속 매트릭스 내 CNT / 카본 어니언 / 나노다이아몬드
• 마그네슘 합금 매트릭스 내 CNT
• 폴리비닐알코올(PVA) 매트릭스 내 CNT
• 에폭시 수지 매트릭스 내 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)(메틸테트라하이드로프탈산 무수물(MTHPA)을 경화제로 사용)
• 폴리(비닐알코올)(PVA) 매트릭스 내 산화 그래핀
• 마그네슘 매트릭스 내 SiC 나노입자
• 폴리스티렌 매트릭스 내 나노 실리카(Aerosil)
• 연질 폴리우레탄(PU) 매트릭스 내 자성 산화철
• 흑연/폴리(염화비닐) 내 산화니켈
• 폴리(젖산-co-글리콜산)(PLGA) 매트릭스 내 티타니아 나노입자
• 폴리(젖산-co-글리콜산)(PLGA) 매트릭스 내 나노 하이드록시아파타이트

초음파 분산

초음파 공정 매개변수는 정밀하게 제어할 수 있으며 재료 조성과 원하는 결과물 품질에 맞게 최적으로 조정할 수 있습니다. 초음파 분산은 CNT나 그래핀과 같은 나노입자를 나노복합재에 혼입하는 데 권장되는 기술입니다. 과학적 수준에서 오랫동안 검증되고 다수의 산업 생산 시설에 도입된 나노복합재의 초음파 분산 및 배합은 확고히 정립된 방법입니다. Hielscher는 나노소재의 초음파 처리에 관한 오랜 경험을 바탕으로 심도 있는 상담, 적합한 초음파 장비 구성 추천, 공정 개발 및 최적화 과정에서의 지원을 제공합니다.
대부분의 경우 강화용 나노입자는 가공 중에 매트릭스에 분산됩니다. 초음파 처리로 달성되는 균일한 분산은 강화용 충전재의 사용량을 줄이면서 더 높은 강화 성능을 얻을 수 있게 하므로, 첨가되는 나노소재의 중량 백분율(질량 분율)은 예를 들어 0.5%에서 5%까지와 같이 낮은 범위에 있습니다.
제조 분야에서 초음파의 대표적인 응용은 나노입자-수지 복합재의 배합입니다. CNT로 강화된 비닐에스터를 생산하기 위해 초음파 처리를 사용하여 CNT를 분산시키고 기능화합니다. 이러한 CNT-비닐에스터는 향상된 전기적 및 기계적 특성을 나타냅니다.
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그래핀

그래핀은 탁월한 물리적 특성, 높은 종횡비 및 낮은 밀도를 제공합니다. 가볍고 강도가 높은 고분자를 얻기 위해 그래핀과 산화 그래핀을 복합재 매트릭스에 통합합니다. 기계적 보강을 달성하려면 그래핀 시트 / 판상 입자를 매우 미세하게 분산시켜야 합니다. 응집된 그래핀 시트는 보강 효과를 급격히 제한하기 때문입니다.
과학적 연구에 따르면 개선 정도는 주로 매트릭스 내 그래핀 시트의 분산도에 따라 달라집니다. 균일하게 분산된 그래핀만이 원하는 효과를 제공합니다. 그래핀은 강한 소수성과 반데르발스 인력으로 인해 서로 약하게 상호작용하는 단층 시트로 이루어진 플레이크 형태로 집합하고 응집하는 경향이 있습니다.
일반적인 분산 기술로는 균일하고 손상되지 않은 그래핀 분산액을 만들 수 없는 경우가 많지만, 고출력 초음파 처리기는 고품질 그래핀 분산액을 생성합니다. Hielscher의 초음파 처리기는 비개질 그래핀, 산화 그래핀 및 환원 산화 그래핀을 저농도부터 고농도까지, 소량부터 대량까지 문제없이 처리합니다. 일반적으로 사용되는 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)이지만, 고출력 초음파를 사용하면 아세톤, 클로로포름, IPA 및 시클로헥사논과 같이 용해력이 낮고 끓는점이 낮은 용매에서도 그래핀을 분산시킬 수 있습니다.
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탄소 나노튜브 및 기타 나노 소재

고출력 초음파는 탄소 나노튜브(CNTs), SWNTs, MWNTs, 풀러렌, 실리카(SiO₂), 이산화티타늄(TiO₂), 은(Ag), 산화아연(ZnO), 나노피브릴화 셀룰로오스 등을 비롯한 다양한 나노 소재를 미세한 입자 크기로 분산시키는 것으로 입증되었습니다. 일반적으로 초음파 처리는 기존 분산기보다 성능이 뛰어나며 고유한 결과를 얻을 수 있습니다.
나노 입자의 분쇄 및 분산 외에도 초음파 침전(상향식 합성)을 통해 나노 입자를 합성하면 우수한 결과를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 초음파로 합성한 자철석, 몰리브덴산나트륨아연 등의 입자 크기가 기존 방법으로 얻은 입자보다 작은 것으로 관찰되었습니다. 이러한 크기 감소는 초음파 캐비테이션에 의해 생성되는 전단 및 난류로 인해 핵생성 속도가 증가하고 혼합 양상이 개선되기 때문입니다.
초음파 상향식 침전에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!

초음파 입자 기능화

입자의 크기가 감소하면 비표면적이 증가합니다. 특히 나노기술에서는 입자의 표면적이 커짐에 따라 소재 특성의 발현이 크게 증가합니다. 초음파를 이용하여 표면적을 늘리고 입자 표면에 적절한 기능성 분자를 부착하여 표면을 개질할 수 있습니다. 나노 소재의 응용 및 사용에서 표면 특성은 입자 핵심부의 특성만큼 중요합니다.
초음파로 기능화한 입자는 고분자, 복합재 및 바이오복합재, 나노유체, 조립형 소자, 나노의약품 등에 널리 사용됩니다. 입자 기능화를 통해 안정성, 강도 및 강성, 용해도, 다분산성, 형광, 자성, 초상자성, 광흡수, 높은 전자 밀도, 광발광 등의 특성이 크게 향상됩니다.
Hielscher의 초음파 시스템을 이용하여 상업적으로 기능화하는 대표적인 입자로는 CNTs, SWNTs, MWNTs, 그래핀, 흑연, 실리카(SiO₂), 나노다이아몬드, 자철석(산화철, Fe₃O₄), 은 나노 입자, 금 나노 입자, 다공성 및 메조다공성 나노 입자 등이 있습니다.
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초음파 분산기

Hielscher의 초음파 분산 장비는 실험실, 벤치탑 및 산업 생산용으로 제공됩니다. Hielscher의 초음파 장치는 신뢰성이 높고 견고하며, 작동과 세척이 쉽습니다. 이 장비는 고부하 조건에서 24/7 연속 운전하도록 설계되었습니다. 초음파 시스템은 배치 및 인라인 처리에 사용할 수 있으며, 유연하여 사용자의 공정과 요구 사항에 쉽게 맞출 수 있습니다.

초음파 배치 및 인라인 처리 용량