Pastiprinātu kompozītu ultraskaņas formulējums
- Kompozītmateriāliem piemīt unikālas materiāla īpašības, piemēram, ievērojami uzlabota termostabilitāte, elastīgais modulis, stiepes izturība, izturība pret lūzumiem, un tāpēc tos plaši izmanto kolektoru izstrādājumu ražošanā.
- Ir pierādīts, ka ultraskaņas apstrāde ražo augstas kvalitātes nanokompozītus ar ļoti izkliedētām CNT, grafēnu utt.
- Ultraskaņas iekārtas pastiprinātu kompozītu formulēšanai ir pieejamas rūpnieciskā mērogā.
nanokompozīti
Nanokompozīti izceļas ar savām mehāniskajām, elektriskajām, termiskajām, optiskajām, elektroķīmiskajām un/vai katalītiskajām īpašībām.
Pateicoties ārkārtīgi augstajai armatūras fāzes virsmas un tilpuma attiecībai un/vai ārkārtīgi augstajai malu attiecībai, nanokompozīti ir ievērojami efektīvāki nekā parastie kompozīti. Stiprināšanai bieži izmanto nanodaļiņas, piemēram, sfērisku silīcija dioksīdu, minerālu loksnes, piemēram, pīlinga grafēnu vai mālu, vai nanošķiedras, piemēram, oglekļa nanocaurulītes vai elektrošķiedras.
Piemēram, oglekļa nanocaurules tiek pievienotas, lai uzlabotu elektrisko un siltuma vadītspēju, nano silīcija dioksīdu izmanto, lai uzlabotu mehāniskās, termiskās un ūdens izturības īpašības. Cita veida nanodaļiņas nodrošina uzlabotas optiskās īpašības, dielektriskās īpašības, karstumizturību vai mehāniskās īpašības, piemēram, stīvumu, izturību un izturību pret koroziju un bojājumiem.
Piemēri ultrasoniski formulētiem nanokompozītiem:
- oglekļa nanocaurulītes (CNT) vinilestera matricā
- CNTs / oglekļa sīpoli / nano dimanti niķeļa metāla matricā
- CNT magnija sakausējuma matricā
- CNT polivinilspirta (PVA) matricā
- daudzsienu oglekļa nanocaurulīte (MWCNT) epoksīdsveķu matricā (izmantojot metiltetrahidroftalanhidrīdu (MTHPA) kā cietinātāju)
- grafēna oksīds poli(vinilspirta) (PVA) matricā
- SiC nanodaļiņas magnija matricā
- nano silīcija dioksīds (Aerosil) polistirola matricā
- magnētiskais dzelzs oksīds elastīgā poliuretāna (PU) matricā
- niķeļa oksīds grafītā/poli(vinilhlorīdā)
- titāna nanodaļiņas poli-pienskābes-ko-glikolskābes (PLGA) matricā
- nano hidroksiapatīts poli-pienskābes-ko-glikolskābes (PLGA) matricā
Ultraskaņas dispersija
Ultraskaņas procesa parametrus var precīzi kontrolēt un optimāli pielāgot materiāla sastāvam un vēlamajai izejas kvalitātei. Ultraskaņas dispersija ir ieteicamā metode, lai nanokompozītos iekļautu nano daļiņas, piemēram, CNTs vai grafēnu. Ilgstoši pārbaudīts zinātniskā līmenī un īstenots daudzās rūpnieciskās ražošanas iekārtās, ultraskaņas dispersija un nanokompozītu formulēšana ir labi izveidota metode. Hielscher ilgā pieredze nanomateriālu ultraskaņas apstrādē nodrošina dziļas konsultācijas, ieteikumu par piemērotu ultraskaņas iestatīšanu un palīdzību procesa izstrādes un optimizācijas laikā.
Galvenokārt armatūras nano daļiņas apstrādes laikā tiek izkliedētas matricā. Pievienotā nanomateriāla svara procentuālais daudzums (masas daļa) ir zemākā skalā, piemēram, no 0,5% līdz 5%, jo vienmērīga izkliede, kas panākta ar ultraskaņu, ļauj ietaupīt pastiprinošās pildvielas un augstāku stiprinājuma veiktspēju.
Tipisks ultraskaņas pielietojums ražošanā ir nanodaļiņu sveķu kompozīta formulējums. Lai ražotu CNT pastiprinātu vinilesteri, CNT disperģēšanai un funkcionalizācijai tiek izmantota ultraskaņas apstrāde. Šiem CNT-vinilesteriem ir raksturīgas uzlabotas elektriskās un mehāniskās īpašības.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par CNT izkliedi!
grafēns
Grafēns piedāvā izcilas fizikālās īpašības, augstu malu attiecību un zemu blīvumu. Grafēns un grafēna oksīds ir integrēti kompozītmateriālu matricā, lai iegūtu vieglus, augstas stiprības polimērus. Lai sasniegtu mehānisko stiprinājumu, grafēna loksnēm / trombocītiem jābūt ļoti smalki izkliedētiem, jo aglomerētas grafēna loksnes krasi ierobežo pastiprinošo efektu.
Zinātniskie pētījumi liecina, ka uzlabojuma lielums galvenokārt ir atkarīgs no grafēna lokšņu izkliedes pakāpes matricā. Tikai viendabīgi izkliedēts grafēns dod vēlamos efektus. Pateicoties spēcīgajai hidrofobitātei un van der Waals pievilcībai, grafēns ir pakļauts agregācijai un aglomerācijai vāji mijiedarbojošos vienslāņu loksnēs.
Lai gan parastās dispersijas metodes bieži vien nevar radīt viendabīgas, nebojātas grafēna dispersijas, lieljaudas ultrasonikatori rada augstas kvalitātes grafēna dispersijas. Hielscher ultrasonikatori apstrādā senatnīgu grafēnu, grafēna oksīdu un samazinātu grafēna oksīdu no zemas līdz augstai koncentrācijai un no maziem līdz lieliem apjomiem bez problēmām. Bieži lietots šķīdinātājs ir N-metil-2-pirolidons (NMP), bet ar lieljaudas ultrasoniku grafēnu var pat izkliedēt sliktos, zemas viršanas temperatūras šķīdinātājos, piemēram, acetonā, hloroformā, IPA un cikloheksanonā.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par grafēna lielapjoma pīlingu!
Oglekļa nanocaurulītes un citi nanomateriāli
Ir pierādīts, ka jaudas ultrasonics rada dažādu nanomateriālu, tostarp oglekļa nanocaurules (CNT), SWNTs, MWNTs, fullerēnu, silīcija dioksīda (SiO) smalka izmēra dispersijas2), titāna dioksīds (TiO2), sudrabs (Ag), cinka oksīds (ZnO), nanofibrilētā celuloze un daudzi citi. Kopumā ultraskaņas apstrāde pārspēj parastos izkliedētājus un var sasniegt unikālus rezultātus.
Papildus frēzēšanai un nanodaļiņu izkliedēšanai lieliski rezultāti tiek sasniegti, sintezējot nano daļiņas, izmantojot ultraskaņas nokrišņus (augšupēja sintēze). Ir novērots, ka daļiņu izmērs, piemēram, ultrasoniski sintezēts magnetīts, nātrija cinka molibdāts un citi, ir zemāks, salīdzinot ar to, kas iegūts, izmantojot parasto metodi. Zemāks izmērs ir saistīts ar uzlaboto nukleācijas ātrumu un labākiem sajaukšanas modeļiem bīdes un turbulences dēļ, ko rada ultraskaņas kavitācija.
Uzklikšķināt šeit, lai uzzinātu vairāk par ultraskaņas nokrišņiem no apakšas uz augšu!
Ultraskaņas daļiņu funkcionalizācija
Daļiņas īpatnējais virsmas laukums palielinās, samazinoties izmēram. Jo īpaši nanotehnoloģijās materiāla īpašību izpausmi ievērojami palielina daļiņu palielinātais virsmas laukums. Virsmas laukumu var ultrasoniski palielināt un modificēt, pievienojot atbilstošas funkcionālās molekulas uz daļiņu virsmas. Attiecībā uz nanomateriālu pielietojumu un izmantošanu virsmas īpašības ir tikpat svarīgas kā daļiņu serdes īpašības.
Ultrasoniski funkcionālas daļiņas tiek plaši izmantotas polimēros, kompozītmateriālos & biokompozīti, nanofluīdi, samontētas ierīces, nanomedicīna utt. Ar daļiņu funkcionalizāciju tādas īpašības kā stabilitāte, izturība & Krasi uzlabojas stīvums, šķīdība, polidispersitāte, fluorescence, magnētisms, superparamagnētisms, optiskā absorbcija, augsts elektronu blīvums, fotoluminiscence u.c.
Parastās daļiņas, kas ir komerciāli funkcionālas ar Hielscher’ ultraskaņas sistēmas incude CNTs, SWNTs, MWNTs, grafēns, grafīts, silīcija dioksīds (SiO2), nanodiamonds, magnetīts (dzelzs oksīds, Fe3O4), sudraba nanodaļiņas, zelta nanodaļiņas, porainas & mezopora nanodaļiņas utt.
Noklikšķiniet šeit, lai redzētu atlasītās lietojumprogrammas ultraskaņas daļiņu apstrādei!
Ultraskaņas izkliedētāji
Hielscher ultraskaņas izkliedēšanas aprīkojums ir pieejams laboratorijas, stenda un rūpnieciskai ražošanai. Hielscher ultrasonikatori ir uzticami, izturīgi, viegli lietojami un tīri. Iekārta ir paredzēta 24/7 darbībai lieljaudas apstākļos. Ultraskaņas sistēmas var izmantot partijas un inline apstrādei – elastīgs un viegli pielāgojams jūsu procesam un prasībām.
Ultraskaņas partijas un inline jaudas
| Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 5 līdz 200 ml | 50 līdz 500 ml/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 līdz 2L | 0.25 līdz 2m3/Hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 līdz 10L | 1 līdz 8m3/Hr | UIP4000 |
| n.p. | 4 līdz 30m3/Hr | UIP16000 |
| n.p. | virs 30m3/Hr | kopa UIP10000 vai UIP16000 |
Ultraskaņas laboratorijas ierīce daļiņu funkcionalizācijai
Literatūra/Atsauces
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandits, A.B. (2014): “Ultrasoniski sagatavota nātrija cinka molibdāta nanopigmenta korozijas inhibīcijas veiktspējas izpēte divu iepakojumu epoksīda-poliamīda pārklājumā. Kompozītmateriālu saskarnes 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Jaunu magnētisko poliuretāna putu nanokompozītu sagatavošana, izmantojot kodola apvalka nanodaļiņas. Polímeros vol.26 nr.4, 2016.
- Tolašs, J.; Stengls, V.; Ecorchard, P. (2014): Grafēna oksīda–polistirola kompozītmateriāla sagatavošana. 3. starptautiskā konference par vidi, ķīmiju un bioloģiju. IPCBEE vol.78, 2014.
Fakti, kurus ir vērts zināt
Par kompozītmateriāliem
Kompozītmateriāli (pazīstami arī kā sastāva materiāli) ir materiāli, kas izgatavoti no divām vai vairākām sastāvdaļām, kurām raksturīgas ievērojami atšķirīgas fizikālās vai ķīmiskās īpašības. Kad šie materiāli ir apvienoti, jauns materiāls – tā sauktais kompozīts – tiek ražots, kas parāda atšķirīgas īpašības no atsevišķām sastāvdaļām. Atsevišķās sastāvdaļas paliek atsevišķas un atšķirīgas gatavajā struktūrā.
Jaunajam materiālam ir labākas īpašības, piemēram, tas ir stiprāks, vieglāks, izturīgāks vai lētāks salīdzinājumā ar parastajiem materiāliem. Nanokompozītu uzlabojumi svārstās no mehāniskām, elektriskām / vadošām, termiskām, optiskām, elektroķīmiskām līdz katalītiskām īpašībām.
Tipiski inženierijas kompozītmateriāli ietver:
- biokompozīti
- pastiprinātas plastmasas, piemēram, ar šķiedru pastiprināts polimērs
- metālu kompozīti
- keramikas kompozīti (keramikas matrica un metāla matricas kompozīts)
Kompozītmateriālus parasti izmanto celtniecības un strukturēšanas materiāliem, piemēram, laivu korpusiem, darba virsmām, automašīnu virsbūvēm, vannām, uzglabāšanas tvertnēm, granīta imitācijām un kultivētām marmora izlietnēm, kā arī kosmosa kuģos un lidmašīnās.
Kompozītmateriālos var izmantot arī metāla šķiedras, kas pastiprina citus metālus, piemēram, metāla matricas kompozītmateriālos (MMC) vai keramikas matricas kompozītmateriālos (CMC), kas ietver kaulu (hidroksiapatītu, kas pastiprināts ar kolagēna šķiedrām), metālkeramiku (keramiku un metālu) un betonu.
Organiskās matricas/keramikas pildvielas kompozīti ietver asfaltbetonu, polimēra betonu, mastikas asfaltu, mastikas rullīšu hibrīdu, zobu kompozītmateriālu, sintaktiskās putas un perlamutru.
Par ultraskaņas iedarbību uz daļiņām
Daļiņu īpašības var novērot, ja daļiņu izmērs tiek samazināts līdz noteiktam līmenim (pazīstams kā kritiskais izmērs). Kad daļiņu izmēri sasniedz nanometra līmeni, mijiedarbība fāzes saskarnēs lielā mērā uzlabojas, kas ir būtiski, lai uzlabotu materiālu īpašības. Tādējādi visnozīmīgākais ir virsmas laukums : tilpuma attiecība materiāliem, kurus izmanto stiprināšanai nanokompozītos. Nanokompozīti piedāvā tehnoloģiskas un ekonomiskas priekšrocības gandrīz visām rūpniecības nozarēm, tostarp kosmiskās aviācijas, autobūves, elektronikas, biotehnoloģiju, farmācijas un medicīnas nozarēm. Vēl viena liela priekšrocība ir to videi draudzīgums.
Jaudas ultraskaņa uzlabo mitrināmību un homogenizāciju starp matricu un daļiņām, intensīvi sajaucot un izkliedējot – ģenerēja Ultraskaņas kavitācija. Tā kā ultraskaņas apstrāde ir visplašāk izmantotā un veiksmīgākā dispersijas metode, kad runa ir par nano materiāliem, Hielscher ultraskaņas sistēmas tiek uzstādītas laboratorijā, izmēģinājuma rūpnīcā un ražošanā visā pasaulē.