Armētu kompozītmateriālu formulēšana ar ultraskaņu
- Kompozītmateriāliem piemīt unikālas materiālu īpašības, piemēram, ievērojami uzlabota termiskā stabilitāte, elastības modulis, stiepes izturība un lūzuma izturība, tādēļ tos plaši izmanto visdažādāko izstrādājumu ražošanā.
- Ir pierādīts, ka apstrāde ar ultraskaņu ļauj iegūt augstas kvalitātes nanokompozītmateriālus ar augstā pakāpē disperģētām oglekļa nanocaurulītēm (CNT), grafēnu u. c.
- Ultraskaņas iekārtas armētu kompozītmateriālu formulēšanai ir pieejamas rūpnieciskā mērogā.
Nanokompozītmateriāli
Nanokompozītmateriāli izceļas ar savām mehāniskajām, elektriskajām, termiskajām, optiskajām, elektroķīmiskajām un/vai katalītiskajām īpašībām.
Pateicoties armējošās fāzes ārkārtīgi augstajai virsmas laukuma un tilpuma attiecībai un/vai ārkārtīgi augstajai daļiņu garuma un šķērsizmēra attiecībai, nanokompozītmateriālu veiktspēja ir ievērojami augstāka nekā parastajiem kompozītmateriāliem. Armēšanai bieži izmanto nanodaļiņas, piemēram, sfērisku silīcija dioksīdu, minerālu loksnes, piemēram, eksfoliētu grafēnu vai mālu, vai nanošķiedras, piemēram, oglekļa nanocaurulītes vai ar elektrovērpšanu iegūtas šķiedras.
Piemēram, oglekļa nanocaurulītes pievieno, lai uzlabotu elektrovadītspēju un siltumvadītspēju, savukārt silīcija dioksīda nanodaļiņas izmanto mehānisko un termisko īpašību, kā arī ūdensizturības uzlabošanai. Citu veidu nanodaļiņas uzlabo optiskās īpašības, dielektriskās īpašības, karstumizturību vai mehāniskās īpašības, piemēram, stingumu, izturību un noturību pret koroziju un bojājumiem.
Ar ultraskaņu formulētu nanokompozītmateriālu piemēri:
- oglekļa nanocaurulītes (CNT) vinilestera matricā
- CNT / sīpolveida oglekļa nanostruktūras / nanodimanti metāliskā niķeļa matricā
- CNT magnija sakausējuma matricā
- CNT polivinilspirta (PVA) matricā
- daudzsieniņu oglekļa nanocaurulīte (MWCNT) epoksīdsveķu matricā (izmantojot metiltetrahidroftālskābes anhidrīdu (MTHPA) kā cietinātāju)
- grafēna oksīds poli(vinilspirta) (PVA) matricā
- SiC nanodaļiņas magnija matricā
- silīcija dioksīda nanodaļiņas (Aerosil) polistirola matricā
- magnētisks dzelzs oksīds elastīga poliuretāna (PU) matricā
- niķeļa oksīds grafītā/poli(vinilhlorīdā)
- titāna dioksīda nanodaļiņas poli(pienskābes-ko-glikolskābes) (PLGA) matricā
- hidroksiapatīta nanodaļiņas poli(pienskābes-ko-glikolskābes) (PLGA) matricā
Disperģēšana ar ultraskaņu
Ultraskaņas procesa parametrus var precīzi kontrolēt un optimāli pielāgot materiāla sastāvam un vēlamajai galaprodukta kvalitātei. Disperģēšana ar ultraskaņu ir ieteicamā metode nanodaļiņu, piemēram, CNT vai grafēna, iestrādāšanai nanokompozītmateriālos. Nanokompozītmateriālu disperģēšana un formulēšana ar ultraskaņu ir labi nostiprinājusies metode, kas ilgstoši pārbaudīta zinātniskā līmenī un ieviesta daudzās rūpnieciskās ražotnēs. Hielscher ilggadējā pieredze nanomateriālu apstrādē ar ultraskaņu nodrošina padziļinātas konsultācijas, piemērotas ultraskaņas iekārtu konfigurācijas ieteikšanu un atbalstu procesa izstrādes un optimizācijas laikā.
Armējošās nanodaļiņas matricā lielākoties disperģē apstrādes laikā. Pievienotā nanomateriāla masas procentuālais saturs (masas daļa) ir neliels, piemēram, no 0,5% līdz 5%, jo ar ultraskaņas apstrādi panāktā vienmērīgā disperģēšana ļauj ietaupīt armējošās pildvielas un sasniegt augstāku armēšanas efektivitāti.
Tipisks ultraskaņas lietojums ražošanā ir nanodaļiņu un sveķu kompozītmateriāla formulēšana. Lai iegūtu ar CNT armētu vinilesteru, CNT disperģēšanai un funkcionalizēšanai izmanto apstrādi ar ultraskaņu. Šiem CNT un vinilestera kompozītmateriāliem raksturīgas uzlabotas elektriskās un mehāniskās īpašības.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par CNT disperģēšanu!
Grafēns
Grafēnam piemīt izcilas fizikālās īpašības, liela izmēru attiecība un zems blīvums. Grafēnu un grafēna oksīdu iestrādā kompozītmateriāla matricā, lai iegūtu vieglus polimērus ar augstu stiprību. Lai panāktu mehānisku pastiprinājumu, grafēna loksnēm / plāksnītēm jābūt ļoti smalki disperģētām, jo aglomerētas grafēna loksnes krasi ierobežo pastiprinošo iedarbību.
Zinātniskie pētījumi ir parādījuši, ka uzlabojuma apmērs galvenokārt ir atkarīgs no grafēna lokšņu dispersijas pakāpes matricā. Tikai viendabīgi disperģēts grafēns nodrošina vēlamo iedarbību. Spēcīgās hidrofobitātes un van der Vālsa pievilkšanās dēļ grafēnam ir tendence agregēties un aglomerēties pārslās, kas sastāv no vāji mijiedarbojošām vienslāņa loksnēm.
Lai gan ar parastajām disperģēšanas metodēm bieži nevar iegūt viendabīgas dispersijas ar nebojātu grafēnu, lieljaudas ultraskaņas iekārtas nodrošina augstas kvalitātes grafēna dispersijas. Hielscher ultraskaņas iekārtas bez grūtībām apstrādā nemodificētu grafēnu, grafēna oksīdu un reducētu grafēna oksīdu gan zemā, gan augstā koncentrācijā un gan mazos, gan lielos tilpumos. Bieži izmantots šķīdinātājs ir N-metil-2-pirolidons (NMP), taču ar lieljaudas ultraskaņu grafēnu var disperģēt pat šķīdinātājos ar vāju šķīdināšanas spēju un zemu viršanas temperatūru, piemēram, acetonā, hloroformā, IPA un cikloheksanonā.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par grafēna eksfoliāciju lielā apjomā!
Oglekļa nanocaurulītes un citi nanomateriāli
Ir pierādīts, ka ar lieljaudas ultraskaņu iegūst dažādu nanomateriālu smalkdispersas dispersijas, tostarp oglekļa nanocaurulīšu (CNTs), SWNTs, MWNTs, fullerēnu, silīcija dioksīda (SiO2), titāna dioksīda (TiO2), sudraba (Ag), cinka oksīda (ZnO), nanofibrilētas celulozes un daudzu citu materiālu dispersijas. Kopumā apstrāde ar ultraskaņu pārspēj tradicionālos disperģētājus un var nodrošināt unikālus rezultātus.
Papildus nanodaļiņu malšanai un disperģēšanai izcilus rezultātus iegūst, sintezējot nanodaļiņas ar ultraskaņas izgulsnēšanu (augšupējā sintēze). Ir novērots, ka, piemēram, ar ultraskaņu sintezēta magnetīta, nātrija cinka molibdāta un citu vielu daļiņu izmērs ir mazāks nekā ar tradicionālo metodi iegūto daļiņu izmērs. Mazāks izmērs ir saistīts ar palielinātu kristalizācijas centru veidošanās ātrumu un labāku sajaukšanos, ko nodrošina ultraskaņas kavitācijas radītā bīde un turbulence.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par augšupējo izgulsnēšanu ar ultraskaņu!
Daļiņu funkcionalizācija ar ultraskaņu
Daļiņas īpatnējais virsmas laukums palielinās, samazinoties tās izmēram. Īpaši nanotehnoloģijā daļiņas virsmas laukuma palielināšanās ievērojami pastiprina materiāla īpašību izpausmi. Virsmas laukumu var palielināt un modificēt ar ultraskaņu, piestiprinot daļiņas virsmai atbilstošas funkcionālās molekulas. Nanomateriālu lietojumā virsmas īpašības ir tikpat svarīgas kā daļiņu kodola īpašības.
Ar ultraskaņu funkcionalizētas daļiņas plaši izmanto polimēros, kompozītmateriālos un biokompozītmateriālos, nanošķidrumos, samontētās ierīcēs, nanomedikamentos utt. Funkcionalizējot daļiņas, krasi uzlabojas tādas īpašības kā stabilitāte, stiprība un stingums, šķīdība, polidispersitāte, fluorescence, magnētisms, superparamagnētisms, optiskā absorbcija, augsts elektronu blīvums, fotoluminiscence utt.
Daļiņas, kuras bieži funkcionalizē komerciālos nolūkos ar Hielscher ultraskaņas sistēmām, ir CNTs, SWNTs, MWNTs, grafēns, grafīts, silīcija dioksīds (SiO2), nanodimanti, magnetīts (dzelzs oksīds, Fe3O4), sudraba nanodaļiņas, zelta nanodaļiņas, porainas un mezoporainas nanodaļiņas utt.
Noklikšķiniet šeit, lai skatītu atlasītas piezīmes par daļiņu apstrādes ar ultraskaņu lietojumiem!
Ultraskaņas disperģētāji
Hielscher ultraskaņas disperģēšanas iekārtas ir pieejamas laboratorijām, darbam uz laboratorijas galda un rūpnieciskai ražošanai. Hielscher ultraskaņas ierīces ir uzticamas, izturīgas, viegli lietojamas un tīrāmas. Iekārtas ir paredzētas darbībai 24/7 lielas slodzes apstākļos. Ultraskaņas sistēmas var izmantot apstrādei pa partijām un nepārtrauktā plūsmā – tās ir elastīgas un viegli pielāgojamas jūsu procesam un prasībām.
Ultraskaņas apstrādes jauda pa partijām un nepārtrauktā plūsmā
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 5 līdz 200mL | 50 līdz 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 līdz 2L | 0,25 līdz 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 līdz 10L | 1 līdz 8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 līdz 30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | vairāk nekā 30m3/hr | ierīču grupa: UIP10000 vai UIP16000 |
Laboratorijas ultraskaņas ierīce daļiņu funkcionalizēšanai
Literatūra un atsauces
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Ar ultraskaņu sagatavota nātrija cinka molibdāta nanopigmenta korozijas inhibēšanas efektivitātes izpēte divkomponentu epoksīda-poliamīda pārklājumā. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Jaunu magnētisku poliuretāna putu nanokompozītu sagatavošana, izmantojot kodola un apvalka struktūras nanodaļiņas. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Grafēna oksīda–polistirola kompozītmateriāla sagatavošana. 3. starptautiskā konference par vidi, ķīmiju un bioloģiju. IPCBEE vol.78, 2014.
Fakti, ko vērts zināt
Par kompozītmateriāliem
Kompozītmateriālus (sauktus arī par saliktiem materiāliem) raksturo kā materiālus, kas izgatavoti no divām vai vairākām sastāvdaļām ar būtiski atšķirīgām fizikālajām vai ķīmiskajām īpašībām. Apvienojot šos sastāvā ietilpstošos materiālus, iegūst jaunu materiālu – tā saukto kompozītu –, kura īpašības atšķiras no atsevišķo komponentu īpašībām. Gatavajā struktūrā atsevišķie komponenti saglabājas nodalīti un atšķirami.
Jaunajam materiālam ir labākas īpašības, piemēram, salīdzinājumā ar tradicionālajiem materiāliem tas ir stiprāks, vieglāks, izturīgāks vai lētāks. Nanokompozītu uzlabojumi aptver mehāniskās, elektriskās / elektrovadītspējas, termiskās, optiskās, elektroķīmiskās un katalītiskās īpašības.
Tipiski tehniski izstrādāti kompozītmateriāli ietver:
- biokompozītus
- stiegrotas plastmasas, piemēram, ar šķiedrām stiegrotu polimēru
- metālu kompozītus
- keramikas kompozītus (keramikas matricas un metāla matricas kompozītus)
Kompozītmateriālus parasti izmanto būvniecības un konstrukciju materiāliem, piemēram, laivu korpusiem, darba virsmām, automobiļu virsbūvēm, vannām, uzglabāšanas tvertnēm, granīta imitācijām un mākslīgā marmora izlietnēm, kā arī kosmosa kuģos un lidaparātos.
Kompozītos var izmantot arī metāla šķiedras, kas stiegro citus metālus, piemēram, metāla matricas kompozītos (MMC) vai keramikas matricas kompozītos (CMC), kas ietver kaulu (ar kolagēna šķiedrām stiegrotu hidroksiapatītu), metālkeramiku (keramiku un metālu) un betonu.
Organiskas matricas un keramikas pildvielas kompozīti ietver asfaltbetonu, polimērbetonu, mastikas asfaltu, mastikas un veltņa hibrīdu, zobārstniecības kompozītu, sintaktiskās putas un perlamutru.
Par ultraskaņas ietekmi uz daļiņām
Daļiņu īpašības var novērot, kad daļiņu izmērs tiek samazināts līdz noteiktam līmenim (ko sauc par kritisko izmēru). Kad daļiņu izmēri sasniedz nanometru līmeni, mijiedarbība fāžu robežvirsmās ievērojami uzlabojas, un tas ir izšķiroši svarīgi materiālu īpašību uzlabošanai. Šajā ziņā visnozīmīgākā ir nanokompozītu stiegrošanai izmantoto materiālu virsmas laukuma un tilpuma attiecība. Nanokompozīti piedāvā tehnoloģiskas un ekonomiskas priekšrocības gandrīz visām rūpniecības nozarēm, tostarp aviācijas un kosmosa, automobiļu, elektronikas, biotehnoloģijas, farmācijas un medicīnas nozarēm. Vēl viena liela priekšrocība ir to draudzīgums videi.
Lieljaudas ultraskaņa uzlabo samitrināmību un homogenizāciju starp matricu un daļiņām, nodrošinot intensīvu sajaukšanu un disperģēšanu, ko rada ultraskaņas kavitācija. Tā kā apstrāde ar ultraskaņu ir visplašāk izmantotā un visveiksmīgākā nanomateriālu disperģēšanas metode, Hielscher ultraskaņas sistēmas ir uzstādītas laboratorijās, izmēģinājuma ražotnēs un ražošanā visā pasaulē.