Ultraschallformuléierung vu verstäerkte Kompositten

Kompositte weisen eenzegaarteg Materialeegenschaften, wéi eng däitlech verbessert Thermostabilitéit, en däitlech verbesserten Elastizitéitsmodul, eng däitlech verbessert Zuchfestegkeet a Brochfestegkeet, a ginn dofir bei der Fabrikatioun vu ville verschiddene Produkter agesat.
Et ass nogewisen, datt d’Beschallung héichwäerteg Nanokompositte mat héich dispergéierten CNTen, Graphen asw. produzéiert.
Ultraschallausrüstung fir d’Formuléierung vu verstäerkte Kompositten ass am industrielle Moossstaf disponibel.

Nanokompositten

Nanokompositten zeechne sech duerch hir mechanesch, elektresch, thermesch, optesch, elektrocheemesch an/oder katalytesch Eegenschaften aus.
Wéinst dem aussergewéinlech héije Verhältnis vun der Uewerfläch zum Volume vun der verstäerkender Phas an/oder hirem aussergewéinlech héijen Aspektverhältnis si Nanokompositten däitlech méi leeschtungsfäeg wéi konventionell Kompositten. Nanopartikelen, wéi sphäresche Siliziumdioxid, mineralesch Schichten, wéi exfoliéierte Graphen oder Toun, oder Nanofaseren, wéi Kuelestoffnanoréier oder elektrogesponne Faseren, ginn dacks fir d’Verstäerkung benotzt.
Zum Beispill gi Kuelestoffnanoréier bäigesat, fir d’elektresch an d’thermesch Leetfäegkeet ze verbesseren; Nanosiliziumdioxid gëtt benotzt, fir déi mechanesch an thermesch Eegenschaften an d’Waasserbeständegkeet ze verbesseren. Aner Aarte vun Nanopartikele verbesseren déi optesch Eegenschaften, déi dielektresch Eegenschaften, d’Hëtztbeständegkeet oder mechanesch Eegenschafte wéi Steifegkeet, Festegkeet a Resistenz géint Korrosioun a Beschiedegungen.

Beispiller vun Nanokompositten, déi mat Ultraschall formuléiert ginn:

Kuelestoffnanoréier (CNT) an enger Vinylestermatrix
CNTen / Kuelestoffzwiebelen / Nanodiamanten an enger Nickelmetallmatrix
CNTen an enger Magnesiumlegéierungsmatrix
CNTen an enger Polyvinylalkoholmatrix (PVA)
méiwandegt Kuelestoffnanorouer (MWCNT) an enger Epoxyharzmatrix (mat Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid (MTHPA) als Häertungsmëttel)
Graphenoxid an enger Poly(vinylalkohol)-Matrix (PVA)
SiC-Nanopartikelen an enger Magnesiummatrix
Nanosiliziumdioxid (Aerosil) an enger Polystyrolmatrix
magneteschen Eisenoxid an enger flexibeler Polyurethanmatrix (PU)
Nickeloxid an engem Grafit/Poly(vinylchlorid)
Titandioxid-Nanopartikelen an enger Poly(mëllech-co-glykolsäure)-Matrix (PLGA)
Nanohydroxyapatit an enger Poly(mëllech-co-glykolsäure)-Matrix (PLGA)

Ultraschalldispersioun

Ultraschallprozessparameter kënne genee kontrolléiert an optimal un d’Materialzesummesetzung an déi gewënscht Qualitéit vum Endprodukt ugepasst ginn. Ultraschalldispersioun ass déi recommandéiert Technik, fir Nanopartikele wéi CNTen oder Graphen an Nanokompositten anzebauen. D’Ultraschalldispersioun an d’Formuléierung vun Nanokompositte sinn eng gutt etabléiert Method, déi iwwer laang Zäit op wëssenschaftlechem Niveau getest an a villen industrielle Produktiounsanlagen ëmgesat gouf. Déi laang Erfarung vun Hielscher mat der Ultraschallveraarbechtung vun Nanomaterialie garantéiert eng fundéiert Berodung, d’Recommandatioun vun enger gëeegenter Ultraschallkonfiguratioun an Ënnerstëtzung bei der Prozessentwécklung an der Optimiséierung.
Déi verstäerkend Nanopartikele gi meeschtens wärend der Veraarbechtung an d’Matrix dispergéiert. De Gewiichtsundeel a Prozent (Massefraktioun) vum bäigesaten Nanomaterial läit am nidderege Beräich, z. B. 0,5% bis 5%, well déi gläichméisseg Dispersioun, déi duerch d’Beschallung erreecht gëtt, et erlaabt, verstäerkend Fëllstoffer anzespueren an eng méi héich Verstäerkungsleeschtung z’erreechen.
Eng typesch Uwendung vun Ultraschall an der Fabrikatioun ass d’Formuléierung vun engem Nanopartikel-Harz-Komposit. Fir CNT-verstäerkte Vinylester ze produzéieren, gëtt d’Beschallung benotzt, fir CNTen ze dispergéieren an ze funktionaliséieren. Dës CNT-Vinylester zeechne sech duerch verbessert elektresch a mechanesch Eegenschaften aus.
Klickt hei, fir méi iwwer d’Dispersioun vun CNTen ze liesen!

Anorganesch Partikele kënnen duerch Ultraschallbeschallung funktionaliséiert ginn

Mat Ultraschall funktionaliséierten Nanopartikel

Ultraschallapparater fir de Labosdësch an d'Produktioun, wéi den UIP1500hd, bidden eng vollstänneg industriell Qualitéit. (Klickt, fir ze vergréisseren!)

Ultraschallapparat UIP1500hd mat Duerchflossreaktor

Graphen

Graphen bitt aussergewéinlech physikalesch Eegenschaften, en héicht Aspektverhältnis an eng niddreg Dicht. Graphen a Graphenoxid ginn an eng Kompositmatrix integréiert, fir liicht Polymere mat héijer Festegkeet ze kréien. Fir déi mechanesch Verstäerkung z’erreechen, mussen d’Graphenschichten / -plättche ganz fein dispergéiert sinn, well agglomeréiert Graphenschichten de verstäerkenden Effekt drastesch begrenzen.
Wëssenschaftlech Fuerschung huet gewisen, datt d’Ausmooss vun der Verbesserung gréisstendeels vum Dispersiounsgrad vun de Graphenschichten an der Matrix ofhänkt. Nëmmen homogen dispergéiert Graphen liwwert déi gewënschten Effekter. Wéinst senger staarker Hydrophobizitéit an der Van-der-Waals-Unzéiung tendéiert Graphen dozou, zu Flacke mat schwaach matenee wierkenden eenzelne Schichten ze aggregéieren an ze agglomeréieren.
Wärend üblech Dispersiounstechniken dacks keng homogen, onbeschiedegt Graphendispersioune produzéiere kënnen, produzéiere leeschtungsstaark Ultraschallapparater héichwäerteg Graphendispersiounen. D’Ultraschallapparater vun Hielscher verschaffen onmodifizéiert Graphen, Graphenoxid a reduzéiert Graphenoxid ouni Problemer, vun niddrege bis héije Konzentratiounen a vu klengen bis grousse Volumenen. En heefeg benotzt Léisungsmëttel ass N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), mee mat Leeschtungsultraschall kann Graphen souguer a schlechte Léisungsmëttele mat niddregem Kachpunkt wéi Aceton, Chloroform, IPA a Cyclohexanon dispergéiert ginn.
Klickt hei, fir méi iwwer d’Exfoliatioun vu Graphen a grousse Quantitéiten ze liesen!

Kuelestoff-Nanoréier an aner Nanomaterialien

Leeschtungsultraschall féiert noweislech zu Dispersioune mat feiner Partikelgréisst vu verschiddenen Nanomaterialien, dorënner Kuelestoff-Nanoréier (CNTs), SWNTs, MWNTs, Fullerenen, Siliziumdioxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂), Sëlwer (Ag), Zénkoxid (ZnO), nanofibrilléiert Zellulos a vill anerer. Am Allgemengen iwwertrëfft d’Ultraschallbehandlung konventionell Dispergéierapparater a kann eenzegaarteg Resultater erreechen.
Nieft dem Muelen an Dispergéiere vun Nanopartikele ginn exzellent Resultater duerch d’Synthees vun Nanopartikelen iwwer Ultraschallfällung (Bottom-up-Synthees) erreecht. Et gouf observéiert, datt d’Partikelgréisst, z. B. vun duerch Ultraschall synthetiséiertem Magnetit, Natriumzénkmolybdat an anere Materialien, méi kleng ass wéi déi, déi mat der konventioneller Method erreecht gëtt. Déi méi kleng Gréisst gëtt op déi erhéicht Keimbildungsquot an déi besser Mëschungsmusteren zeréckgefouert, déi duerch d’Schéierung an d’Turbulenzen entstinn, déi vun der Ultraschallkavitatioun generéiert ginn.
Klickt hei, fir méi iwwer d’Bottom-up-Fällung mat Ultraschall gewuer ze ginn!

Funktionaliséierung vu Partikele mat Ultraschall

Déi spezifesch Uewerfläch vun engem Partikel hëlt zou, wann d’Gréisst ofhëlt. Besonnesch an der Nanotechnologie gëtt d’Auspräägung vun de Materialeegenschaften duerch eng vergréissert Uewerfläch vum Partikel däitlech verstäerkt. D’Uewerfläch ka mat Ultraschall vergréissert a modifizéiert ginn, andeems passend funktionell Moleküllen un der Partikeluewerfläch ugebonne ginn. Wat d’Applikatioun an d’Benotzung vun Nanomaterialien ugeet, sinn d’Uewerflächeneegenschafte genee esou wichteg wéi d’Eegenschafte vum Partikelkär.
Mat Ultraschall funktionaliséiert Partikele gi vill a Polymeren, Kompositten & Biokompositten, Nanoflëssegkeeten, zesummegebauten Apparater, Nanomedikamenter asw. benotzt. Duerch d’Funktionaliséierung vu Partikele ginn Eegenschafte wéi Stabilitéit, Festegkeet & Steifegkeet, Léislechkeet, Polydispersitéit, Fluoreszenz, Magnetismus, Superparamagnetismus, optesch Absorptioun, héich Elektronendicht, Photolumineszenz asw. drastesch verbessert.
Zu den heefeg benotzte Partikelen, déi mat den Ultraschallsystemer vun Hielscher kommerziell funktionaliséiert ginn, gehéieren CNTs, SWNTs, MWNTs, Graphen, Graphit, Siliziumdioxid (SiO₂), Nanodiamanten, Magnetit (Eisenoxid, Fe₃O₄), Sëlwer-Nanopartikelen, Gold-Nanopartikelen, poréis & mesoporéis Nanopartikelen asw.
Klickt hei, fir ausgewielten Applikatiounsnotizen iwwer d’Partikelbehandlung mat Ultraschall ze gesinn!

Ultraschall-Dispergéierapparater

D’Ultraschall-Dispergéierapparater vun Hielscher si fir de Labo, de Labordësch an d’industriell Produktioun disponibel. D’Ultraschallapparater vun Hielscher sinn zouverlässeg, robust an einfach ze bedéngen an ze botzen. D’Apparater si fir e 24/7-Betrib ënner héijer Belaaschtung ausgeluecht. D’Ultraschallsystemer kënne fir d’Veraarbechtung a Chargen an am Inline-Betrib agesat ginn – flexibel an einfach un Äre Prozess an Är Ufuerderungen upassbar.

Ultraschallkapazitéite fir Chargen an den Inline-Betrib

Chargevolumen	Duerchfloss	Recommandéiert Apparater
5 bis 200mL	50 bis 500mL/min	UP200Ht, UP400S
0,1 bis 2L	0,25 bis 2m³/hr	UIP1000hd, UIP2000hd
0,4 bis 10L	1 bis 8m³/hr	UIP4000
n.a.	4 bis 30m³/hr	UIP16000
n.a.	iwwer 30m³/hr	Grupp vun UIP10000 oder UIP16000

Den Ultraschallapparat UP200S fir d'Modifikatioun an d'Gréisstreduktioun vu Partikelen (Klickt, fir ze vergréisseren!)

Ultraschall-Laboapparat fir d’Funktionaliséierung vu Partikelen

Literatur/Referenzen

Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Ënnersichung vun der Korrosiounshemmungsleeschtung vun engem mat Ultraschall hiergestallten Natriumzénkmolybdat-Nanopigment an enger Zwee-Komponenten-Epoxy-Polyamid-Beschichtung. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Hierstellung vun neiaartege magnetesche Polyurethanschaum-Nanokompositte mat Kär-Schuel-Nanopartikelen. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): D’Hierstellung vun engem Kompositmaterial aus Graphenoxid–Polystyrol. 3. International Konferenz iwwer Ëmwelt, Chimie a Biologie. IPCBEE vol.78, 2014.

Wëssenswäert Fakten

Iwwer Kompositmaterialien

Kompositmaterialien (och als zesummegesate Material bekannt) ginn als e Material beschriwwen, dat aus zwee oder méi Bestanddeeler besteet, déi sech duerch däitlech ënnerschiddlech physikalesch oder cheemesch Eegenschaften auszeechnen. Wann dës Ausgangsmaterialie kombinéiert ginn, entsteet en neit Material – de sougenannte Komposit –, dat aner Eegenschaften opweist wéi déi eenzel Komponenten. Déi eenzel Komponente bleiwen an der fäerdeger Struktur getrennt a vuneneen ënnerscheedbar.
Dat neit Material huet besser Eegenschaften, z. B. ass et méi fest, méi liicht, méi bestänneg oder manner deier wéi konventionell Materialien. D’Verbesserunge bei Nanokompositte reeche vu mechaneschen, elektreschen / leedenden, thermeschen, opteschen an elektrocheemeschen bis zu katalyteschen Eegenschaften.

Typesch technesch hiergestallte Kompositmaterialien ëmfaassen:

Biokompositten
verstäerkt Konschtstoffer, wéi faserverstäerkte Polymer
Metallkompositten
Keramikkompositten (Kompositte mat Keramikmatrix a mat Metallmatrix)

Kompositmaterialie ginn allgemeng als Bau- a Strukturmaterialien agesat, zum Beispill fir Bootskierper, Aarbechtsplacken, Autoskarosserien, Bidden, Späicherbehälter, Granitimitatiounen a Lavaboen aus kënschtlechem Marber, souwéi a Raum- a Loftgefierer.

Kompositte kënnen och Metallfaseren enthalen, déi aner Metaller verstäerken, wéi bei Kompositte mat Metallmatrix (MMC) oder Kompositte mat Keramikmatrix (CMC), dozou gehéiere Schanken (Hydroxyapatit, dat mat Kollageenfasere verstäerkt ass), Cermet (Keramik a Metall) a Bëtong.
Kompositten aus enger organescher Matrix a kerameschem Zouschlag ëmfaassen Asphaltbëtong, Polymerbëtong, Gossasphalt, Mastix-Walz-Hybrid, Dentalkomposit, syntaktesche Schaum a Pärelmamm.

Iwwer d’Auswierkunge vun Ultraschall op Partikelen

Partikeleegenschafte kënne observéiert ginn, wann d’Partikelgréisst op e bestëmmten Niveau reduzéiert gëtt (bekannt als kritesch Gréisst). Wann d’Partikeldimensiounen den Nanometerberäich erreechen, ginn d’Wiesselwierkungen un de Phasegrenzflächen däitlech verbessert, wat entscheedend fir d’Verbesserung vun de Materialeegenschaften ass. Dobäi ass d’Verhältnis vun der Uewerfläch zum Volumen vun de Materialien, déi fir d’Verstäerkung vun Nanokompositten agesat ginn, am bedeitendsten. Nanokompositte bidden technologesch a wirtschaftlech Virdeeler fir bal all Industrieberäicher, dorënner d’Loft- a Raumfaart, d’Automobilindustrie, d’Elektronik, d’Biotechnologie, d’Pharmaindustrie an de medezinesche Beräich. E weidere grousse Virdeel ass hir Ëmweltfrëndlechkeet.
Leeschtungsultraschall verbessert d’Benetzbarkeet an d’Homogeniséierung tëscht der Matrix an de Partikelen duerch intensivt Mëschen an Dispergéieren – ausgeléist duerch Ultraschallkavitatioun. Well d’Beschallung déi am wäitste verbreet an erfollegräichst Dispersiounsmethod fir Nanomaterialien ass, sinn d’Ultraschallsystemer vun Hielscher weltwäit a Laboratoiren, Pilotanlagen an an der Produktioun installéiert.