Voordelige productie van hydrogel via ultrasoonbehandeling

Sonificatie is een zeer efficiënte, betrouwbare en eenvoudige techniek voor de bereiding van hoogwaardige hydrogels. Deze hydrogelen bieden uitstekende materiaaleigenschappen zoals absorptiecapaciteit, visco-elasticiteit, mechanische sterkte, compressiemodulus en zelfhelende functionaliteiten.

Ultrasone polymerisatie en dispersie voor de productie van hydrogels

Hydrogelen zijn hydrofiele, driedimensionale polymere netwerken die grote hoeveelheden water of vloeistoffen kunnen opnemen. Hydrogelen hebben een buitengewoon zwelvermogen. Veel voorkomende bouwstenen van hydrogels zijn polyvinylalcohol, polyethyleenglycol, natriumpolyacrylaat, acrylaatpolymeren, carbomeren, polysacchariden of polypeptiden met een hoog aantal hydrofiele groepen en natuurlijke eiwitten zoals collageen, gelatine en fibrine.
Zogenaamde hybride hydrogels bestaan uit verschillende chemisch, functioneel en morfologisch verschillende materialen, zoals eiwitten, peptiden of nano-/microstructuren.
Ultrasone dispersie wordt veel gebruikt als een zeer efficiënte en betrouwbare techniek om nanomaterialen zoals koolstofnanobuizen (CNT's, MWCNT's, SWCNT's), cellulosenanokristallen, chitine-nanovezels, titaniumdioxide, zilveren nanodeeltjes, eiwitten en andere micro- of nanostructuren in de polymere matrix van hydrogels te homogeniseren. Dit maakt sonicatie tot een belangrijk hulpmiddel om hoogwaardige hydrogels met buitengewone kwaliteiten te produceren.

Wat onderzoek aantoont – Ultrasone hydrogelbereiding

Ten eerste bevordert ultrasoonbehandeling polymerisatie en verknopingsreacties tijdens hydrogelvorming.
Ten tweede is ultrasoon bewezen als betrouwbare en effectieve dispersietechniek voor de productie van hydrogels en nanocomposiethydrogels.

Ultrasone verknoping en polymerisatie van hydrogels

Ultrasoon geluid helpt bij de vorming van polymere netwerken tijdens de synthese van hydrogels door vrije radicalen te genereren. Intense ultrasone geluidsgolven genereren akoestische cavitatie die hoge schuifkrachten, moleculaire afschuiving en vorming van vrije radicalen veroorzaakt.

Cass et al. (2010) bereidden verschillende "acrylhydrogels werden bereid via ultrasone polymerisatie van in water oplosbare monomeren en macromonomeren. Ultrasoon geluid werd gebruikt om initiërende radicalen te creëren in viskeuze waterige monomeeroplossingen met de additieven glycerol, sorbitol of glucose in een open systeem bij 37°C. De in water oplosbare additieven waren essentieel voor de productie van hydrogels, waarbij glycerol het meest effectief was. Hydrogels werden bereid uit de monomeren 2-hydroxyethylmethacrylaat, poly(ethyleenglycol)dimethacrylaat, dextraanmethacrylaat, acrylzuur/ethyleenglycoldimethacrylaat en acrylamide/bis-acrylamide." [Cass et al. 2010] Ultrasone toepassing met behulp van een sonde-ultrasoneator bleek een effectieve methode te zijn voor de polymerisatie van in water oplosbare vinylmonomeren en de daaropvolgende bereiding van hydrogels. De ultrasoon geïnitieerde polymerisatie verloopt snel in afwezigheid van een chemische initiator.
Het volledige protocol van de studie vind je hier!
 

Lees meer over ultrasone synthese van nanocomposiet hydrogels en nanogels!

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

Fabricage van poly(acrylamide-co-itaconzuur) – MWCNT Hydrogel met Sonicatie

Mohammadinezhada et al. (2018) produceerden met succes een superabsorberende hydrogelcomposiet met poly(acrylamide-co-itaconzuur) en meerwandige koolstofnanobuizen (MWCNTs). Ultrasoon werd uitgevoerd met het Hielscher ultrasoonapparaat UP200SDe stabiliteit van de hydrogel nam toe met toenemende MWCNT-ratio's, wat kan worden toegeschreven aan de hydrofobe aard van de MWCNTs en de toename van de dichtheid van de crosslinker. De waterretentiecapaciteit (WRC) van de P(AAm-co-IA) hydrogel nam ook toe in aanwezigheid van de MWCNT (10 wt%). In deze studie werden de effecten van ultrasoonbehandeling als superieur beoordeeld met betrekking tot de uniforme verdeling van de koolstofnanobuizen op het polymeeroppervlak. De MWCNT's waren intact zonder enige onderbreking in de polymeerstructuur. Bovendien werden de sterkte van het verkregen nanocomposiet en het watervasthoudend vermogen en de absorptie van andere oplosbare materialen zoals Pb (II) verhoogd. Sonicatie brak de initiator en dispergeerde de MWCNTs als een uitstekende vulstof in de polymeerketens onder toenemende temperatuur.
De onderzoekers concluderen dat deze "reactieomstandigheden niet kunnen worden bereikt met conventionele methoden en dat de homogeniteit en goede dispersie van de deeltjes in de gastheer niet kunnen worden bereikt. Bovendien scheidt sonicatie de nanodeeltjes tot afzonderlijke deeltjes, terwijl roeren dit niet kan. Een ander mechanisme voor het verkleinen van de deeltjesgrootte is het effect van krachtige akoestische golven op de secundaire bindingen zoals waterstofbruggen. Door deze bestraling wordt de H-binding tussen de deeltjes verbroken, waarna de geaggregeerde deeltjes uiteenvallen en het aantal vrije adsorptieve groepen zoals -OH en toegankelijkheid toeneemt. Dit belangrijke gebeuren maakt het sonicatieproces dus tot een superieure methode boven andere methoden zoals magnetisch roeren die in de literatuur worden toegepast." [Mohammadinezhada et al., 2018]

Ultrasoonapparaten met hoge prestaties voor hydrogel synthese

Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasoonapparatuur voor de synthese van hydrogels. Van kleine en middelgrote R&Van D- en pilot-ultrasoneersystemen tot industriële systemen voor commerciële hydrogelproductie in continubedrijf, Hielscher Ultrasonics heeft alles wat u nodig hebt voor uw proces.
Ultrasone systemen van industriële kwaliteit kunnen zeer hoge amplitudes leveren, die betrouwbare verknopings- en polymerisatiereacties en de uniforme dispersie van nanodeeltjes mogelijk maken. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 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 ervaren medewerkers staan u graag te woord!
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: