Ultrasone samenstelling van versterkte composieten
- Composieten vertonen unieke materiaaleigenschappen zoals aanzienlijk verbeterde thermo-stabiliteit, elasticiteitsmodulus, treksterkte, breuksterkte en worden daarom veel gebruikt bij de productie van verdeelstukken.
- Het is bewezen dat sonificatie nanocomposieten van hoge kwaliteit produceert met hooggedispergeerde CNT's, grafeen enz.
- Ultrasone apparatuur voor het formuleren van versterkte composieten is beschikbaar op industriële schaal.
nanocomposieten
Nanocomposieten blinken uit door hun mechanische, elektrische, thermische, optische, elektrochemische en/of katalytische eigenschappen.
Door hun uitzonderlijk hoge oppervlakte-volumeverhouding van de versterkende fase en/of hun uitzonderlijk hoge aspectverhouding presteren nanocomposieten aanzienlijk beter dan conventionele composieten. Nanodeeltjes zoals sferisch silica, minerale platen zoals geëxfolieerd grafeen of klei, of nanovezels zoals koolstofnanobuisjes of elektrogesponnen vezels worden vaak gebruikt voor versterking.
Er worden bijvoorbeeld koolstofnanobuisjes toegevoegd om de elektrische en thermische geleidbaarheid te verbeteren en nanosiliciumdioxide wordt gebruikt om de mechanische, thermische en waterbestendige eigenschappen te verbeteren. Andere soorten nanodeeltjes geven verbeterde optische eigenschappen, diëlektrische eigenschappen, hittebestendigheid of mechanische eigenschappen zoals stijfheid, sterkte en weerstand tegen corrosie en schade.
Voorbeelden voor ultrasoon geformuleerde nanocomposieten:
- koolstofnanobuizen (CNT) in een matrix van vinylester
- CNT's / koolstofionen / nanodiamanten in een nikkelmetaalmatrix
- CNT's in een magnesiumlegering matrix
- CNT's in een matrix van polyvinylalcohol (PVA)
- meerwandig koolstofnanobuisje (MWCNT) in een epoxyharsmatrix (met methyltetrahydroftaalzuuranhydride (MTHPA) als uithardingsmiddel)
- grafeenoxide in een poly(vinylalcohol) (PVA) matrix
- SiC nanodeeltjes in een magnesium matrix
- nanosilica (Aerosil) in een matrix van polystyreen
- magnetisch ijzeroxide in een flexibele polyurethaan (PU) matrix
- nikkeloxide in een grafiet/poly(vinylchloride)
- titania nanodeeltjes in een poly-lactic-co-glycolzuur (PLGA) matrix
- nano-hydroxyapatiet in een PLGA-matrix (poly-lactic-co-glycolzuur)
ultrasone dispersie
Ultrasone procesparameters kunnen exact worden geregeld en optimaal worden aangepast aan de materiaalsamenstelling en de gewenste outputkwaliteit. Ultrasone dispersie is de aanbevolen techniek om nanodeeltjes zoals CNT's of grafeen in nanocomposieten op te nemen. Ultrasone dispersie en formulering van nanocomposieten is al lang getest op wetenschappelijk niveau en wordt toegepast in veel industriële productie-installaties. Hielscher's lange ervaring in ultrasone verwerking van nanomaterialen garandeert een diepgaand advies, de aanbeveling van een geschikte ultrasone opstelling en assistentie tijdens de procesontwikkeling en -optimalisatie.
Meestal worden de versterkende nanodeeltjes tijdens het proces in de matrix gedispergeerd. Het gewichtspercentage (massafractie) van het toegevoegde nanomateriaal ligt lager, bijvoorbeeld tussen 0,5% en 5%, omdat de uniforme dispersie die door sonicatie wordt bereikt, het mogelijk maakt om de versterkende vulstoffen te sparen en de versterkingsprestaties te verhogen.
Een typische toepassing van ultrasone trillingen in de productie is de formulering van nanodeeltjes-hars composiet. Om CNT-versterkt vinylester te produceren, wordt sonicatie gebruikt om CNT's te dispergeren en te functionaliseren. Deze CNT-vinylesters worden gekenmerkt door verbeterde elektrische en mechanische eigenschappen.
Klik hier om meer te lezen over de dispersie van CNTs!
Grafeen
Grafeen heeft uitzonderlijke fysische eigenschappen, een hoge aspectverhouding en een lage dichtheid. Grafeen en grafeenoxide worden geïntegreerd in een composietmatrix om lichtgewicht polymeren met hoge sterkte te verkrijgen. Om de mechanische versterking te bereiken, moeten de grafeenvellen/-plaatjes zeer fijn gedispergeerd zijn, want geagglomereerde grafeenvellen beperken het versterkende effect drastisch.
Wetenschappelijk onderzoek heeft aangetoond dat de mate van verbetering vooral afhangt van de dispersiegraad van de grafeenvellen in de matrix. Alleen homogeen gedispergeerd grafeen geeft de gewenste effecten. Door zijn sterke hydrofobiciteit en van der Waals aantrekkingskracht is grafeen geneigd om samen te klonteren en te agglomereren tot vlokken van zwak op elkaar inwerkende monolaagvellen.
Terwijl gewone dispersietechnieken vaak geen homogene, onbeschadigde grafeen-dispersies kunnen produceren, produceren krachtige ultrasoontoestellen grafeen-dispersies van hoge kwaliteit. Hielscher's ultrasone machines verwerken probleemloos zuiver grafeen, grafeenoxide en gereduceerd grafeenoxide van lage tot hoge concentraties en van kleine tot grote volumes. Een veelgebruikt oplosmiddel is N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), maar met krachtige ultrasone trillingen kan grafeen zelfs worden gedispergeerd in slechte oplosmiddelen met een laag kookpunt, zoals aceton, chloroform, IPA en cyclohexanon.
Klik hier om meer te lezen over het in bulk scrubben van grafeen!
Koolstofnanobuizen en andere nanomaterialen
Het is bewezen dat vermogensextrasie kan leiden tot dispersies met fijne afmetingen van diverse nanomaterialen, waaronder koolstofnanobuizen (CNT's), SWNT's, MWNT's, fullerenen, siliciumdioxide (SiO2), titaniumdioxide (TiO2), zilver (Ag), zinkoxide (ZnO), nanogefibrilleerde cellulose en vele andere. In het algemeen presteert sonicatie beter dan conventionele dispergeerapparaten en kan unieke resultaten bereiken.
Naast het malen en dispergeren van nanodeeltjes worden uitstekende resultaten bereikt door nanodeeltjes te synthetiseren via ultrasone neerslag (bottom-up synthese). Er is waargenomen dat de deeltjesgrootte, bijvoorbeeld van ultrasoon gesynthetiseerd magnetiet, natriumzinkmolybdaat en andere, lager is dan die verkregen met de conventionele methode. De lagere grootte wordt toegeschreven aan de verhoogde nucleatiesnelheid en betere mengpatronen als gevolg van de schuifkracht en turbulentie die door ultrasone cavitatie worden gegenereerd.
Klik hier voor meer informatie over ultrasone bottom-up precipitatie!
Ultrasone deeltjesfunctionalisering
Het specifieke oppervlak van een deeltje neemt toe naarmate het kleiner wordt. Vooral in de nanotechnologie wordt de expressie van materiaaleigenschappen aanzienlijk vergroot door een groter oppervlak van het deeltje. Het oppervlak kan ultrasoon worden vergroot en gewijzigd door geschikte functionele moleculen op het deeltjesoppervlak aan te brengen. Voor de toepassing en het gebruik van nanomaterialen zijn de oppervlakte-eigenschappen net zo belangrijk als de kern-eigenschappen van de deeltjes.
Ultrasonisch gefunctionaliseerde deeltjes worden veel gebruikt in polymeren, composieten & biocomposieten, nanovloeistoffen, geassembleerde apparaten, nanogeneesmiddelen, enz. Door de deeltjes te functionaliseren, kunnen eigenschappen zoals stabiliteit, sterkte & stijfheid, oplosbaarheid, polydispersiteit, fluorescentie, magnetisme, superparamagnetisme, optische absorptie, hoge elektronendichtheid, fotoluminiscentie enz. drastisch verbeterd.
Gebruikelijke deeltjes die commercieel gefunctionaliseerd zijn met Hielscher’ ultrasone systemen omvatten CNT's, SWNT's, MWNT's, grafeen, grafiet, siliciumdioxide (SiO2), nanodiamanten, magnetiet (ijzeroxide, Fe3O4), zilveren nanodeeltjes, gouden nanodeeltjes, poreuze & mesoporeuze nanodeeltjes enz.
Klik hier om geselecteerde toepassingsadviezen voor ultrasone deeltjesbehandeling te bekijken!
ultrasone dispergeerders
Hielscher's ultrasone dispergeerapparatuur is verkrijgbaar voor laboratorium-, tafelmodel- en industriële productie. Hielscher's ultrasoonapparatuur is betrouwbaar, robuust, eenvoudig te bedienen en te reinigen. De apparatuur is ontworpen voor 24/7 gebruik onder zware omstandigheden. De ultrasone systemen kunnen worden gebruikt voor batch- en inlineverwerking. – flexibel en gemakkelijk aan te passen aan uw proces en vereisten.
Ultrasone batch- en inline capaciteiten
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 5 tot 200 ml | 50 tot 500 ml/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 tot 2L | 0.25 tot 2m3/uur | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 tot 10L | 1 tot 8m3/uur | UIP4000 |
| n.v.t. | 4 tot 30 m3/uur | UIP16000 |
| n.v.t. | boven 30m3/uur | cluster van UIP10000 of UIP16000 |
Ultrasoon laboratoriumapparaat voor het functionaliseren van deeltjes
Literatuur/referenties
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Onderzoek naar de corrosieremmende werking van ultrasoon bereid natriumzinkmolybdaat nanopigment in tweecomponenten epoxy-polyamide coating. Composiet Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Bereiding van nieuwe magnetische polyurethaanschuim nanocomposieten met behulp van core-shell nanodeeltjes. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): De bereiding van composietmateriaal van grafeenoxide-polystyreen. 3e Internationale Conferentie over Milieu, Chemie en Biologie. IPCBEE vol.78, 2014.
Wetenswaardigheden
Over composietmaterialen
Composietmaterialen (ook wel composietmateriaal genoemd) worden beschreven als een materiaal gemaakt van twee of meer bestanddelen die worden gekenmerkt door significant verschillende fysische of chemische eigenschappen. Wanneer deze samenstellende materialen worden gecombineerd, ontstaat een nieuw materiaal. – de zogenaamde samengestelde – wordt geproduceerd, die andere kenmerken vertoont dan de afzonderlijke componenten. De afzonderlijke componenten blijven afzonderlijk en verschillend in de afgewerkte structuur.
Het nieuwe materiaal heeft betere eigenschappen, het is bijvoorbeeld sterker, lichter, resistenter of goedkoper dan conventionele materialen. Verbeteringen van nanocomposieten variëren van mechanische, elektrische / geleidende, thermische, optische, elektrochemische tot katalytische eigenschappen.
Typische composietmaterialen zijn onder andere:
- bio-composieten
- versterkte kunststoffen, zoals vezelversterkte polymeer
- metaalcomposieten
- keramische composieten (keramische matrix en metaal matrix composiet)
Composietmaterialen worden over het algemeen gebruikt voor het bouwen en structureren van materialen zoals scheepsrompen, aanrechtbladen, carrosserieën, badkuipen, opslagtanks, spoelbakken van imitatiegraniet en gekweekt marmer en in ruimtevaartuigen en vliegtuigen.
Composieten kunnen ook metaalvezels gebruiken die andere metalen versterken, zoals in metaalmatrixcomposieten (MMC) of keramische matrixcomposieten (CMC), waaronder bot (hydroxyapatiet versterkt met collageenvezels), cermet (keramiek en metaal) en beton.
Composieten met organische matrix/keramisch aggregaat zijn onder andere asfaltbeton, polymeerbeton, mastiekasfalt, mastiekrol hybride, tandheelkundig composiet, syntactisch schuim en parelmoer.
Over ultrasone effecten op deeltjes
Deeltjeseigenschappen kunnen worden waargenomen wanneer de deeltjesgrootte wordt teruggebracht tot een bepaald niveau (bekend als kritische grootte). Wanneer de deeltjesdimensies het nanometerniveau bereiken, worden de interacties bij fase-interfaces grotendeels verbeterd, wat cruciaal is om de materiaaleigenschappen te verbeteren. Daarbij is de oppervlakte-volumeverhouding van materialen die worden gebruikt voor versterking in nanocomposieten van groot belang. Nanocomposieten bieden technologische en economische voordelen voor bijna alle industriële sectoren, waaronder lucht- en ruimtevaart, auto's, elektronica, biotechnologie, farmaceutica en de medische sector. Een ander groot voordeel is hun milieuvriendelijkheid.
Krachtig ultrageluid verbetert de bevochtigbaarheid en homogenisering tussen de matrix en de deeltjes door intens mengen en dispergeren. – gegenereerd door ultrasone cavitatie. Omdat sonicatie de meest gebruikte en meest succesvolle dispersiemethode is als het gaat om nanomaterialen, worden Hielscher's ultrasone systemen wereldwijd geïnstalleerd in laboratoria, proefinstallaties en productie.