Voordelige productie van hydrogels door ultrasone behandeling

Sonicatie is een zeer doeltreffende, betrouwbare en eenvoudige techniek voor de bereiding van hydrogels met hoge prestaties. Deze hydrogels bieden uitstekende materiaaleigenschappen, zoals absorptiecapaciteit, visco-elasticiteit, mechanische sterkte, compressiemodulus en zelfherstellende functionaliteiten.

Ultrasone polymerisatie en dispersie voor de productie van hydrogels

Hydrogels zijn hydrofiele, driedimensionale polymeernetwerken die grote hoeveelheden water of vloeistoffen kunnen absorberen. Hydrogels vertonen een buitengewoon zwelvermogen. Veelgebruikte bouwstenen van hydrogels zijn polyvinylalcohol, polyethyleenglycol, natriumpolyacrylaat, acrylaatpolymeren, carbomeren, polysachariden of polypeptiden met een groot aantal hydrofiele groepen en natuurlijke eiwitten zoals collageen, gelatine en fibrine.
Zogenoemde hybride hydrogels bestaan uit verschillende chemisch, functioneel en morfologisch onderscheiden materialen, zoals eiwitten, peptiden of nano- / microstructuren.
Ultrasone dispersie wordt veelvuldig gebruikt als een zeer efficiënte en betrouwbare techniek om nanomaterialen zoals koolstofnanobuisjes (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), cellulosenanokristallen, chitinenanovezels, titaandioxide, zilvernanodeeltjes, eiwitten en andere micro- of nanostructuren homogeen in de polymeermatrix van hydrogels te verdelen. Hierdoor is sonicatie een belangrijk hulpmiddel voor de productie van hydrogels met hoge prestaties en buitengewone eigenschappen.

Wat onderzoek aantoont – Ultrasone bereiding van hydrogels

Ten eerste bevordert ultrasone behandeling polymerisatie- en vernettingsreacties tijdens de vorming van hydrogels.
Ten tweede heeft ultrasone behandeling zich bewezen als een betrouwbare en effectieve dispersietechniek voor de productie van hydrogels en nanocomposiethydrogels.

Ultrasone vernetting en polymerisatie van hydrogels

Ultrasone behandeling ondersteunt de vorming van polymeernetwerken tijdens de synthese van hydrogels door vrije radicalen te genereren. Intense ultrasone golven veroorzaken akoestische cavitatie, die hoge afschuifkrachten, moleculaire afschuiving en de vorming van vrije radicalen teweegbrengt.

Cass et al. (2010) bereidden verschillende acrylhydrogels: “Acrylhydrogels werden bereid door ultrasone polymerisatie van in water oplosbare monomeren en macromonomeren. Ultrasoon geluid werd gebruikt om initiërende radicalen te genereren in viskeuze waterige monomeeroplossingen met behulp van de toevoegingen glycerol, sorbitol of glucose in een open systeem bij 37°C. De in water oplosbare toevoegingen waren essentieel voor de productie van hydrogels, waarbij glycerol het meest effectief was. Hydrogels werden bereid uit de monomeren 2-hydroxyethylmethacrylaat, poly(ethyleenglycol)dimethacrylaat, dextranmethacrylaat, acrylzuur/ethyleenglycoldimethacrylaat en acrylamide/bis-acrylamide.” [Cass et al. 2010] De toepassing van ultrasoon geluid met een sonicator met sonde bleek een effectieve methode voor de polymerisatie van in water oplosbare vinylmonomeren en de daaropvolgende bereiding van hydrogels. De ultrasoon geïnitieerde polymerisatie verloopt snel zonder chemische initiator.
Hier vindt u het volledige protocol van het onderzoek!
 

Ultrasoon dispergeren van pyrogeen silica: de Hielscher ultrasone homogenisator UP400S dispergeert silicapoeder snel en efficiënt tot afzonderlijke nanodeeltjes.

Lees meer over de ultrasone synthese van nanocomposiethydrogels en nanogels!

Ultrasone behandeling is compatibel met alle soorten polymeren en biopolymeren en maakt het mogelijk hybride hydrogels te versterken met nanogestructureerde materialen zoals nanodeeltjes, nanokristallen of nanovezels. Door hydrogels met verschillende nanomaterialen te versterken, kunnen de fysisch-chemische en reomechanische eigenschappen van nanocomposiethydrogels worden gewijzigd en beheerst, aangezien de microstructuren de bepalende factor zijn voor de verkregen materiaaleigenschappen.

Productie van een hydrogel van poly(acrylamide-co-itaconzuur) en MWCNTs met sonicatie

Mohammadinezhada et al. (2018) produceerden met succes een superabsorberend hydrogelcomposiet dat poly(acrylamide-co-itaconzuur) en meerwandige koolstofnanobuisjes (MWCNTs) bevatte. De ultrasone behandeling werd uitgevoerd met het ultrasone apparaat van Hielscher UP200S. De stabiliteit van de hydrogel nam toe naarmate het aandeel MWCNTs toenam, wat mogelijk kan worden toegeschreven aan het hydrofobe karakter van de MWCNTs en aan de toename van de dichtheid van de vernetter. Het waterretentievermogen (WRC) van de P(AAm-co-IA)-hydrogel nam eveneens toe in aanwezigheid van MWCNT (10 wt%). In dit onderzoek werden de effecten van ultrasone behandeling als superieur beoordeeld wat betreft de gelijkmatige verdeling van de koolstofnanobuisjes op het polymeeroppervlak. De MWCNTs waren intact, zonder enige verstoring van de polymeerstructuur. Bovendien namen de sterkte van het verkregen nanocomposiet, het waterretentievermogen ervan en de absorptie van andere oplosbare stoffen zoals Pb (II) toe. Sonicatie brak de initiator af en dispergeerde de MWCNTs als een uitstekende vulstof in de polymeerketens bij toenemende temperatuur.
De onderzoekers concluderen dat deze “reactieomstandigheden niet met conventionele methoden kunnen worden bereikt, en dat de homogeniteit en goede dispersie van deeltjes in de gastheermatrix niet kunnen worden bereikt. Bovendien scheidt het sonicatieproces nanodeeltjes in afzonderlijke deeltjes, terwijl roeren dit niet kan. Een ander mechanisme voor de verkleining is het effect van krachtige akoestische golven op secundaire bindingen zoals waterstofbruggen. Deze bestraling verbreekt de waterstofbruggen tussen de deeltjes en maakt vervolgens de geaggregeerde deeltjes van elkaar los, waardoor het aantal vrije adsorberende groepen zoals -OH en de toegankelijkheid toenemen. Deze belangrijke gebeurtenis maakt het sonicatieproces dus tot een superieure methode ten opzichte van andere methoden, zoals het in de literatuur toegepaste magnetische roeren.” [Mohammadinezhada et al., 2018]

Sonicators met hoge prestaties voor de synthese van hydrogels

Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone apparatuur met hoge prestaties voor de synthese van hydrogels. Van kleine en middelgrote sonicators voor R&D en proefinstallaties tot industriële systemen voor de commerciële productie van hydrogels in continubedrijf: Hielscher Ultrasonics voorziet in uw procesvereisten.
Sonicators van industriële kwaliteit kunnen zeer hoge amplitudes leveren, die betrouwbare vernettings- en polymerisatiereacties en de gelijkmatige dispersie van nanodeeltjes mogelijk maken. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden toegepast in 24/7/365-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar.

Vraag ons vandaag nog om aanvullende technische informatie, prijzen en een vrijblijvende offerte. Onze medewerkers met jarenlange ervaring adviseren u graag!
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicators:

De Hielscher SonoStation maakt de ultrasone behandeling van middelgrote batches met een doorstroomreactor eenvoudig. De compacte SonoStation combineert een geroerde tank van 38 liter met een regelbare excentrische wormpomp die tot 3 liter per minuut naar één of twee ultrasone doorstroomreactoren kan pompen.