Ultrasone formulering van versterkte composieten
- Composieten vertonen unieke materiaaleigenschappen, zoals een aanzienlijk verbeterde thermische stabiliteit, elasticiteitsmodulus, treksterkte en breuksterkte, en worden daarom veelvuldig gebruikt bij de vervaardiging van uiteenlopende producten.
- Het is bewezen dat sonicatie hoogwaardige nanocomposieten oplevert met sterk gedispergeerde CNT’s, grafeen enz.
- Ultrasone apparatuur voor de formulering van versterkte composieten is beschikbaar op industriële schaal.
Nanocomposieten
Nanocomposieten onderscheiden zich door hun mechanische, elektrische, thermische, optische, elektrochemische en/of katalytische eigenschappen.
Door de uitzonderlijk hoge verhouding tussen het oppervlak en het volume van de versterkende fase en/of hun uitzonderlijk hoge aspectverhouding presteren nanocomposieten aanzienlijk beter dan conventionele composieten. Nanodeeltjes zoals bolvormig silica, minerale plaatjes zoals geëxfolieerd grafeen of klei, of nanovezels zoals koolstofnanobuisjes of elektrogesponnen vezels worden vaak gebruikt als versterking.
Koolstofnanobuisjes worden bijvoorbeeld toegevoegd om de elektrische en thermische geleidbaarheid te verbeteren; nanosilica wordt gebruikt om de mechanische en thermische eigenschappen en de waterbestendigheid te verbeteren. Andere soorten nanodeeltjes zorgen voor verbeterde optische eigenschappen, diëlektrische eigenschappen, hittebestendigheid of mechanische eigenschappen zoals stijfheid, sterkte en weerstand tegen corrosie en beschadiging.
Voorbeelden van ultrasoon geformuleerde nanocomposieten:
- koolstofnanobuisjes (CNT) in een vinylestermatrix
- CNT’s / koolstofuien / nanodiamanten in een nikkelmetaalmatrix
- CNT’s in een matrix van een magnesiumlegering
- CNT’s in een matrix van polyvinylalcohol (PVA)
- meerwandig koolstofnanobuisje (MWCNT) in een epoxyharsmatrix (met methyltetrahydroftaalzuuranhydride (MTHPA) als uithardingsmiddel)
- grafeenoxide in een matrix van poly(vinylalcohol) (PVA)
- SiC-nanodeeltjes in een magnesiummatrix
- nanosilica (Aerosil) in een polystyreenmatrix
- magnetisch ijzeroxide in een flexibele matrix van polyurethaan (PU)
- nikkeloxide in een grafiet/poly(vinylchloride)
- titaandioxidenanodeeltjes in een matrix van poly(melkzuur-co-glycolzuur) (PLGA)
- nanohydroxyapatiet in een matrix van poly(melkzuur-co-glycolzuur) (PLGA)
Ultrasone dispersie
Ultrasone procesparameters kunnen nauwkeurig worden geregeld en optimaal worden afgestemd op de materiaalsamenstelling en de gewenste kwaliteit van het eindproduct. Ultrasone dispersie is de aanbevolen techniek om nanodeeltjes zoals CNT’s of grafeen in nanocomposieten op te nemen. De ultrasone dispersie en formulering van nanocomposieten is een gevestigde methode die al lange tijd wetenschappelijk wordt getest en in veel industriële productie-installaties wordt toegepast. De jarenlange ervaring van Hielscher met de ultrasone verwerking van nanomaterialen staat garant voor gedegen advies, de aanbeveling van een geschikte ultrasone opstelling en ondersteuning bij de procesontwikkeling en -optimalisatie.
Meestal worden de versterkende nanodeeltjes tijdens de verwerking in de matrix gedispergeerd. Het gewichtspercentage (de massafractie) van het toegevoegde nanomateriaal ligt in het lage bereik, bijvoorbeeld 0,5% tot 5%, omdat de uniforme dispersie die door sonicatie wordt bereikt, besparing op versterkende vulstoffen en een betere versterkende werking mogelijk maakt.
Een typische toepassing van ultrasoontechnologie in de productie is de formulering van een composiet van nanodeeltjes en hars. Om met CNT’s versterkte 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 CNT’s!
Grafeen
Grafeen biedt uitzonderlijke fysische eigenschappen, een hoge aspectverhouding en een lage dichtheid. Grafeen en grafeenoxide worden in een composietmatrix geïntegreerd om lichte polymeren met een hoge sterkte te verkrijgen. Om de mechanische versterking te bereiken, moeten de grafeenlagen / -plaatjes zeer fijn worden gedispergeerd, omdat geagglomereerde grafeenlagen het versterkende effect drastisch beperken.
Wetenschappelijk onderzoek heeft aangetoond dat de mate van verbetering vooral afhangt van de dispersiegraad van de grafeenlagen in de matrix. Alleen homogeen gedispergeerd grafeen geeft de gewenste effecten. Door zijn sterke hydrofobiciteit en de van der Waals-aantrekking heeft grafeen de neiging om te aggregeren en te agglomereren tot vlokken van uit één laag bestaande plaatjes die zwak met elkaar interageren.
Terwijl gangbare dispersietechnieken vaak geen homogene, onbeschadigde grafeendispersies kunnen produceren, produceren ultrasone apparaten met een hoog vermogen hoogwaardige grafeendispersies. De ultrasone apparaten van Hielscher verwerken ongerept grafeen, grafeenoxide en gereduceerd grafeenoxide probleemloos, van lage tot hoge concentraties en van kleine tot grote volumes. Een veelgebruikt oplosmiddel is N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), maar met ultrasoontechnologie met een hoog vermogen 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 de exfoliatie van grafeen in bulk!
Koolstofnanobuisjes en andere nanomaterialen
Het is bewezen dat ultrasoontechnologie met een hoog vermogen leidt tot fijn verdeelde dispersies van verschillende nanomaterialen, waaronder koolstofnanobuisjes (CNT’s), SWNT’s, MWNT’s, fullerenen, silica (SiO2), titaandioxide (TiO2), zilver (Ag), zinkoxide (ZnO), nanogefibrilleerde cellulose en vele andere. Over het algemeen presteert sonicatie beter dan conventionele dispergeerapparaten en kan zij unieke resultaten opleveren.
Naast het malen en dispergeren van nanodeeltjes worden uitstekende resultaten behaald met de synthese van nanodeeltjes via ultrasone precipitatie (bottom-upsynthese). Er is waargenomen dat de deeltjesgrootte van bijvoorbeeld ultrasoon gesynthetiseerd magnetiet, natriumzinkmolybdaat en andere stoffen kleiner is dan die welke met de conventionele methode wordt verkregen. De kleinere grootte wordt toegeschreven aan de hogere nucleatiesnelheid en betere mengpatronen als gevolg van de afschuiving en turbulentie die door ultrasone cavitatie worden gegenereerd.
Klik hier om meer te weten te komen over ultrasone bottom-upprecipitatie!
Ultrasone functionalisering van deeltjes
Het specifieke oppervlak van een deeltje neemt toe naarmate de grootte afneemt. Vooral in de nanotechnologie komen materiaaleigenschappen aanzienlijk sterker tot uiting door het grotere oppervlak van het deeltje. Het oppervlak kan ultrasoon worden vergroot en gemodificeerd door geschikte functionele moleculen aan het deeltjesoppervlak te hechten. Bij de toepassing en het gebruik van nanomaterialen zijn oppervlakte-eigenschappen even belangrijk als de eigenschappen van de deeltjeskern.
Ultrasoon gefunctionaliseerde deeltjes worden veelvuldig gebruikt in polymeren, composieten & biocomposieten, nanovloeistoffen, geassembleerde apparaten, nanogeneesmiddelen enz. Door functionalisering van deeltjes worden eigenschappen zoals stabiliteit, sterkte & stijfheid, oplosbaarheid, polydispersiteit, fluorescentie, magnetisme, superparamagnetisme, optische absorptie, hoge elektronendichtheid, fotoluminescentie enz. drastisch verbeterd.
Veelvoorkomende deeltjes die commercieel worden gefunctionaliseerd met de ultrasone systemen van Hielscher zijn onder meer CNT’s, SWNT’s, MWNT’s, grafeen, grafiet, silica (SiO2), nanodiamanten, magnetiet (ijzeroxide, Fe3O4), zilvernanodeeltjes, goudnanodeeltjes, poreuze & mesoporeuze nanodeeltjes enz.
Klik hier om geselecteerde toepassingsnotities voor ultrasone deeltjesbehandeling te bekijken!
Ultrasone dispergeerapparaten
De ultrasone dispergeerapparatuur van Hielscher is beschikbaar voor laboratoriumgebruik, tafelopstellingen en industriële productie. De ultrasone apparaten van Hielscher zijn betrouwbaar, robuust en eenvoudig te bedienen en te reinigen. De apparatuur is ontworpen voor 24/7-bedrijf onder zware omstandigheden. De ultrasone systemen kunnen worden gebruikt voor batchverwerking en inlineverwerking – flexibel en eenvoudig aan te passen aan uw proces en eisen.
Capaciteiten voor ultrasone batchverwerking en inlineverwerking
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 5 tot 200mL | 50 tot 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 tot 2L | 0,25 tot 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 tot 10L | 1 tot 8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 tot 30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | meer dan 30m3/hr | cluster van UIP10000 of UIP16000 |
Ultrasoon laboratoriumapparaat voor de functionalisering 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 natriumzinkmolybdaatnanopigment in een tweecomponenten-epoxy-polyamidecoating. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833–852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Bereiding van nieuwe magnetische nanocomposieten van polyurethaanschuim met behulp van kern-schilnanodeeltjes. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): De bereiding van composietmateriaal van grafeenoxide–polystyreen. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.
Wetenswaardigheden
Over composietmaterialen
Composietmaterialen (ook bekend als samengestelde materialen) worden beschreven als materialen die bestaan uit twee of meer bestanddelen met aanzienlijk verschillende fysische of chemische eigenschappen. Wanneer deze bestanddelen worden gecombineerd, ontstaat een nieuw materiaal – het zogenoemde composiet – dat andere eigenschappen vertoont dan de afzonderlijke componenten. De afzonderlijke componenten blijven binnen de uiteindelijke structuur gescheiden en van elkaar te onderscheiden.
Het nieuwe materiaal heeft betere eigenschappen; het is bijvoorbeeld sterker, lichter, beter bestand tegen invloeden of goedkoper dan conventionele materialen. Verbeteringen van nanocomposieten lopen uiteen van mechanische, elektrische / geleidende, thermische, optische en elektrochemische tot katalytische eigenschappen.
Typische technisch vervaardigde composietmaterialen zijn onder meer:
- biocomposieten
- versterkte kunststoffen, zoals vezelversterkt polymeer
- metaalcomposieten
- keramische composieten (composieten met een keramische matrix en met een metaalmatrix)
Composietmaterialen worden over het algemeen gebruikt als bouwmaterialen en constructiematerialen, zoals voor bootrompen, werkbladen, autocarrosserieën, badkuipen, opslagtanks, imitatiegraniet en wastafels van kunstmarmer, en ook in ruimtevaartuigen en vliegtuigen.
In composieten kunnen ook metaalvezels worden gebruikt die andere metalen versterken, zoals in composieten met een metaalmatrix (MMC) of composieten met een keramische matrix (CMC), waaronder bot (hydroxyapatiet versterkt met collageenvezels), cermet (keramiek en metaal) en beton.
Composieten met een organische matrix en keramisch toeslagmateriaal omvatten asfaltbeton, polymeerbeton, gietasfalt, mastic roller hybrid, tandheelkundig composiet, syntactisch schuim en parelmoer.
Over ultrasone effecten op deeltjes
Deeltjeseigenschappen kunnen worden waargenomen wanneer de deeltjesgrootte tot een bepaald niveau wordt teruggebracht (bekend als de kritische grootte). Wanneer de afmetingen van de deeltjes het nanometerniveau bereiken, worden de interacties aan fasegrensvlakken sterk verbeterd, wat cruciaal is om de materiaaleigenschappen te verbeteren. Daarbij is de verhouding oppervlak : volume van materialen die ter versterking in nanocomposieten worden gebruikt van het grootste belang. Nanocomposieten bieden technologische en economische voordelen voor vrijwel alle industriële sectoren, waaronder de lucht- en ruimtevaartsector, de automobielsector en de elektronische, biotechnologische, farmaceutische en medische sectoren. Een ander groot voordeel is hun milieuvriendelijkheid.
Ultrasoontechnologie met een hoog vermogen verbetert de bevochtigbaarheid en homogenisatie tussen de matrix en de deeltjes door intensieve menging en dispersie – gegenereerd door ultrasone cavitatie. Omdat sonicatie de meest gebruikte en succesvolste dispersiemethode voor nanomaterialen is, zijn de ultrasone systemen van Hielscher wereldwijd geïnstalleerd in laboratoria, proefinstallaties en productie-installaties.