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.

Ultrasone UIP1000hdT met glazen reactor voor hydrogel synthese
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!
- nanodeeltjes, bijvoorbeeld TiO2
- koolstofnanobuizen (CNT's)
- cellulose nanokristallen (CNC's)
- cellulosenanofibrillen
- gommen, bijvoorbeeld xanthaan, saliezaadpitmeel
- eiwitten
Lees meer over ultrasone synthese van nanocomposiet hydrogels en nanogels!

Hydrogelvorming via ultrasonisch ondersteunde gelering met behulp van de ultrasoonapparaat UP100H (Studie en film: Rutgeerts et al., 2019)

SEM van poly(acrylamide-co-itaconzuur hydrogel met MWCNTs. De MWCNTs werden ultrasoon gedispergeerd met behulp van de ultrasoonator UP200S.
studie en foto: Mohammadinezhada et al., 2018
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.
- hoog rendement
- ultramoderne technologie
- betrouwbaarheid & robuustheid
- batch & inline
- voor elk volume
- intelligente software
- slimme functies (bijv. dataprotocollering)
- CIP (clean-in-place)
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:
Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
---|---|---|
1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Wetenswaardigheden
Waar worden hydrogels voor gebruikt?
Hydrogelen worden in veel industrieën gebruikt, zoals in de farmaceutische industrie voor het toedienen van medicijnen (bijv. time-released, orale, intraveneuze, topische of rectale toediening), de geneeskunde (bijv. als steigers in weefselmanipulatie, borstimplantaten, biomechanisch materiaal, wondverbanden), cosmetische producten, verzorgingsproducten (bijv. contactlenzen, luiers, maandverband), landbouw (bijv. voor pesticideformules, korrels om bodemvocht vast te houden in dorre gebieden), materiaalonderzoek als functionele polymeren (bijv. watergel-explosieven, inkapseling van kwantumstippen, thermodynamische elektriciteitsopwekking), kolenontwatering, kunstmatige sneeuw, voedseladditieven en andere producten (bijv, lijm).
Classificatie van hydrogels
Bij de classificatie van hydrogels op basis van hun fysieke structuur kunnen ze als volgt worden ingedeeld:
- amorf (niet-kristallijn)
- semikristallijn: Een complex mengsel van amorfe en kristallijne fasen.
- kristallijn
Wanneer we ons richten op de polymere samenstelling, kunnen hydrogels ook worden ingedeeld in de volgende drie categorieën:
- homopolymere hydrogels
- copolymere hydrogels
- multipolymere hydrogels / IPN-hydrogels
Op basis van het type crosslinking worden hydrogels ingedeeld in:
- chemisch vernette netwerken: permanente verbindingen
- fysiek verknoopte netwerken: transiënte knooppunten
Fysieke verschijning leidt tot classificatie in:
- matrix
- film
- microsfeer
Classificatie op basis van de elektrische lading van het netwerk:
- niet-ionisch (neutraal)
- ionisch (inclusief anionisch of kationisch)
- amfotere elektrolyt (amfolytisch)
- zwitterionisch (polybetaïnen)
Literatuur / Referenties
- Mohammadinezhada, Alireza; Marandi, Gholam Bagheri; Farsadrooh, Majid; Javadian, Hamedreza (2018): Synthesis of poly(acrylamide-co-itaconic acid)/MWCNTs superabsorbent hydrogel nanocomposite by ultrasound-assisted technique: Swelling behavior and Pb (II) adsorption capacity. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 49, 2018. 1-12.
- Cass, Peter; Knower, Warren; Pereeia, Eliana; Holmes, Natalie P.; Hughes Tim (2010): Preparation of hydrogels via ultrasonic polymerization. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 2, February 2010. 326-332.
- Willfahrt, A., Steiner, E., Hoetzel, J., Crispin, X. (2019): Printable acid-modified corn starch as non-toxic, disposable hydrogel-polymer electrolyte in supercapacitors. Applied Physics A, 125(7), 474.
- Butylina, Svetlana; Geng, Shiyu; Laatikainen, Katri; Oksman, Kristiina (2020): Cellulose Nanocomposite Hydrogels: From Formulation to Material Properties. Frontiers in Chemistry, Vol. 8, 655, 2020.
- Rutgeerts, Laurens A. J.; Soultan, Al Halifa; Subramani, Ramesh; Toprakhisar, Burak; Ramon, Herman; Paderes, Monissa C.; De Borggraeve, Wim M.; Patterson, Jennifer (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chemical Communications Issue 51, 2019.
- Oleyaei, Seyed Amir; Razavi, Seyed Mohammad Ali; Mikkonen, Kirsi S. (2018): Physicochemical and rheo-mechanical properties of titanium dioxide reinforced sage seed gum nanohybrid hydrogel. International Journal of Biological Macromolecules Vol. 118, Part A, 2018. 661-670.