Voordelige productie van hydrogel via ultrasoonbehandeling

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

Ultrasone polymerisatie en dispersie voor de productie van hydrogel

Hydrogelen zijn hydrofiele, driedimensionale polymere netwerken die in staat zijn grote hoeveelheden water of vloeistoffen te absorberen. Hydrogelen hebben een buitengewoon zwelvermogen. Veel voorkomende bouwstenen van hydrogelen zijn polyvinylalcohol, polyethyleenglycol, natriumpolyacrylaat, acrylaatpolymeren, carbomeren, polysacchariden of polypeptiden met een groot aantal hydrofiele groepen, en natuurlijke proteïnen 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 algemeen gebruikt als een zeer efficiënte en betrouwbare techniek om nanomaterialen zoals koolstofnanobuizen (CNT's, MWCNT's, SWCNT's), cellulosenanokristallen, chitinenanovezels, titaandioxide, zilvernanopartikels, proteïnen en andere micro- of nanostructuren te homogeniseren in de polymere matrix van hydrogels. Dit maakt sonicatie tot een belangrijk instrument om hoogwaardige hydrogels met buitengewone kwaliteiten te produceren.

Wat onderzoek aantoont – Ultrasone hydrogelbereiding

Ten eerste bevordert ultrasoonbehandeling de polymerisatie en de cross-linking reacties tijdens de hydrogelvorming.
Ten tweede is gebleken dat ultrasoonbehandeling een betrouwbare en doeltreffende dispersietechniek is voor de productie van hydrogels en nanocomposiethydrogels.

Ultrasone crosslinking en polymerisatie van hydrogels

Ultrasoonbehandeling bevordert de vorming van polymere netwerken tijdens de synthese van hydrogel door de vorming van vrije radicalen. Intense ultrasone golven genereren akoestische cavitatie die hoge afschuifkrachten, moleculaire afschuiving en vorming van vrije radicalen veroorzaakt.

Cass et al. (2010) bereidden verschillende "acrylhydrogels voor 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 hydrogelproductie, waarbij glycerol het meest effectief was. Hydrogels werden bereid uit de monomeren 2-hydroxyethylmethacrylaat, poly(ethyleenglycol)dimethacrylaat, dextraanmethacrylaat, acrylzuur/ethyleenglycol dimethacrylaat en acrylamide/bis-acrylamide." Cass et al. 2010] Ultrasone toepassing met behulp van een sonde-ultrasoneator bleek een doeltreffende methode te zijn voor de polymerisatie van in water oplosbare vinylmonomeren en de daaropvolgende bereiding van hydrogels. De ultrasonisch geïnitieerde polymerisatie verloopt snel bij afwezigheid van een chemische initiator.

Ultrasoonbehandeling is compatibel met alle soorten polymeren en biopolymeren en maakt het mogelijk hybride hydrogels te versterken met nanogestructureerde materialen zoals nanodeeltjes, nanokristallen of nanovezels. Versterking van hydrogels met diverse nanomaterialen maakt het mogelijk de fysisch-chemische en reo-mechanische eigenschappen van nanocomposiet-hydrogels te wijzigen en te controleren, aangezien de microstructuren de sleutelfactor zijn voor de verkregen materiaaleigenschappen.

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

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

Hoogwaardige ultrasoonapparaten voor hydrogel synthese

Hielscher Ultrasonics vervaardigt hoogwaardige ultrasone apparatuur voor de synthese van hydrogelen. Van kleine en middelgrote R&Hielscher Ultrasonics levert ultrasone systemen voor de productie van hydrogel in continu bedrijf, van D- en pilot-ultrasooninstallaties tot industriële systemen voor de commerciële productie van hydrogel in continu bedrijf.
Ultrasooninstallaties van industriële kwaliteit kunnen zeer hoge amplitudes leveren, die betrouwbare cross-linking- en polymerisatiereacties en de uniforme dispersie van nanodeeltjes mogelijk maken. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden uitgevoerd in 24/7/365 werking. Voor nog hogere amplitudes zijn aangepaste ultrasone sonotrodes beschikbaar.

Vraag ons vandaag nog om aanvullende technische informatie, prijzen en een vrijblijvende offerte. Onze jarenlange ervaren medewerkers staan u graag te woord!
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: