Ultrasone bereiding van versterkt rubber
- Versterkte rubbers vertonen een hogere treksterkte, rek, slijtvastheid en betere verouderingsstabiliteit.
- Vulstoffen zoals roet (bijv. CNTs, MWNTs), grafeen of silica moeten homogeen in de matrix worden gedispergeerd om de gewenste materiaaleigenschappen te verkrijgen.
- Ultrasoon vermogen zorgt voor een superieure verdelingskwaliteit van monodispers gedispergeerde nanodeeltjes met sterk versterkende eigenschappen.
Ultrasone dispersie
Ultrasone behandeling wordt veelvuldig toegepast voor het dispergeren van nanomaterialen zoals monodispers gedispergeerde nanodeeltjes en nanobuisjes, omdat ultrasoon geluid de scheiding en functionalisering van de deeltjes en buisjes sterk verbetert.
Ultrasone dispergeerapparatuur creëert cavitatie en hoge afschuifkrachten om nanodeeltjes en nanobuisjes uiteen te breken, te deagglomereren, te ontwarren en te dispergeren. De intensiteit van de sonicatie kan nauwkeurig worden ingesteld en geregeld, zodat de ultrasone verwerkingsparameters perfect worden aangepast, rekening houdend met de concentratie, agglomeratie en uitlijning/verstrengeling van het nanomateriaal. Hierdoor kunnen nanomaterialen optimaal worden verwerkt overeenkomstig hun specifieke materiaalvereisten. Optimale dispersieomstandigheden dankzij individueel aangepaste ultrasone procesparameters resulteren in een hoogwaardig rubbernanocomposiet als eindproduct, met superieure versterkende eigenschappen van de nanoadditieven en nanovulstoffen.
Dankzij de superieure dispersiekwaliteit van ultrasoon geluid en de daarmee bereikte uniforme dispersie volstaat een zeer laag vulstofgehalte om uitstekende materiaaleigenschappen te verkrijgen.
Industrieel ultrasoon systeem
Ultrasoon met roet versterkt rubber
Roet is een van de belangrijkste vulstoffen in rubbers, vooral voor banden, om het rubbermateriaal slijtvastheid en treksterkte te geven. Roetdeeltjes hebben een sterke neiging om aggregaten te vormen die moeilijk homogeen te dispergeren zijn. Roet wordt veel gebruikt in verven, lakken, drukinkten, kleurstoffen voor nylon en kunststoffen, latexmengsels, wasmengsels, fotografische coatings en meer.
Ultrasone dispersie maakt deagglomeratie en uniforme menging met een zeer hoge monodispersiteit van de deeltjes mogelijk.
Klik hier voor meer informatie over ultrasone dispersie voor versterkte composieten!
Ultrasoon met CNTs / MWCNTs versterkt rubber
Ultrasone homogenisatoren zijn krachtige dispergeersystemen die nauwkeurig kunnen worden geregeld en aangepast aan de proces- en materiaalvereisten. De nauwkeurige regeling van de ultrasone procesparameters is vooral belangrijk voor het dispergeren van nanobuisjes zoals MWNTs of SWNTs, omdat de nanobuisjes tot afzonderlijke buisjes moeten worden ontward zonder beschadigd te raken (bijv. door splitsing). Onbeschadigde nanobuisjes bieden een hoge aspectverhouding (tot 132.000.000:1), waardoor ze uitzonderlijke sterkte en stijfheid geven wanneer ze in een composiet worden verwerkt. Krachtige, nauwkeurig ingestelde sonicatie overwint de van der Waals-krachten en dispergeert en ontwart de nanobuisjes, wat resulteert in een rubbermateriaal met hoge prestaties en een uitzonderlijke treksterkte en elasticiteitsmodulus.
Verder wordt ultrasone functionalisering gebruikt om koolstofnanobuisjes te modificeren en zo gewenste eigenschappen te verkrijgen die in uiteenlopende toepassingen kunnen worden benut.
Sonicatoren voor de continue dispersie van nanomaterialen, roet of actieve kool.
Ultrasoon met nanosilica versterkt rubber
Ultrasone dispergeerapparaten zorgen voor een zeer uniforme verdeling van nanodeeltjes van silica (SiO2) in oplossingen van rubberpolymeren. Nanodeeltjes van silica (SiO2) moeten als monodispers gedispergeerde deeltjes homogeen worden verdeeld in gepolymeriseerd styreen-butadieen en andere rubbers. Monodispers gedispergeerd nano-SiO2 werkt als versterkend middel dat de taaiheid, sterkte, rek, buigprestaties en verouderingsbestendigheid aanzienlijk verbetert. Voor nanodeeltjes geldt: hoe kleiner de deeltjesgrootte, hoe groter het specifieke oppervlak van de deeltjes. Met een hogere verhouding tussen oppervlak en volume (S/V) worden betere structurele en versterkende effecten verkregen, waardoor de treksterkte en hardheid van rubberproducten toenemen.
Ultrasone dispersie van silicananodeeltjes maakt een exacte regeling van de procesparameters mogelijk, zodat een bolvormige morfologie, een nauwkeurig ingestelde deeltjesgrootte en een zeer smalle grootteverdeling worden verkregen.
Ultrasoon gedispergeerde silica resulteert in de hoogste materiaalprestaties van het daarmee versterkte rubber.
Klik hier voor meer informatie over het ultrasoon dispergeren van SiO2!
Ultrasone dispersie van versterkende additieven
Het is aangetoond dat sonicatie vele andere materialen met nanodeeltjes dispergeert om de modulus, treksterkte en vermoeiingseigenschappen van rubbercomposieten te verbeteren. Omdat de deeltjesgrootte, vorm, het oppervlak en de oppervlakteactiviteit van vulstoffen en versterkende additieven cruciaal zijn voor hun prestaties, behoren krachtige en betrouwbare ultrasone dispergeerapparaten tot de meest gebruikte methoden om deeltjes op micro- en nanoschaal in rubberproducten te verwerken.
Typische additieven en vulstoffen die door sonicatie als uniform verdeelde of monodispers gedispergeerde deeltjes in rubbermatrices worden opgenomen, zijn calciumcarbonaat, kaolienklei, pyrogeen silica, geprecipiteerd silica, grafietoxide, grafeen, mica, talk, bariet, wollastoniet, geprecipiteerde silicaten, pyrogeen silica en diatomiet.
Wanneer nanodeeltjes van met oliezuur gefunctionaliseerd TiO2 ultrasoon in styreen-butadieenrubber worden gedispergeerd, resulteert zelfs een zeer kleine hoeveelheid van het oliezuur-SiO2 in een aanzienlijk verbeterde modulus, treksterkte en vermoeiingseigenschappen en werkt deze als beschermend middel tegen foto- en thermische degradatie.
- Aluminiumoxidetrihydraat (Al2O3) wordt toegevoegd als vlamvertrager, om de thermische geleidbaarheid te verbeteren en voor weerstand tegen kruipstromen en erosie.
- Vulstoffen van zinkoxide (ZnO) verhogen zowel de relatieve permittiviteit als de thermische geleidbaarheid.
- Titaandioxide (TiO2) verbetert de thermische en elektrische geleidbaarheid.
- Calciumcarbonaat (CaCO3) wordt als additief gebruikt vanwege zijn mechanische, reologische en vlamvertragende eigenschappen.
- Bariumtitanaat (BaTiO3) verhoogt de thermische stabiliteit.
- Grafeen en grafeenoxide (GO) geven superieure mechanische, elektrische, thermische en optische materiaaleigenschappen.
- Koolstofnanobuisjes (CNTs) verbeteren mechanische eigenschappen zoals treksterkte, elektrische en thermische geleidbaarheid aanzienlijk.
- Meerwandige koolstofnanobuisjes (MWNTs) verbeteren de elasticiteitsmodulus en vloeigrens. Zo resulteert slechts 1 wt.% MWNTs in een epoxy in een toename van de elasticiteitsmodulus en vloeigrens met respectievelijk 100% en 200% ten opzichte van de zuivere matrix.
- Enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWNTs) verbeteren de mechanische eigenschappen en thermische geleidbaarheid.
- Koolstofnanovezels (CNF) voegen sterkte, hittebestendigheid en duurzaamheid toe.
- Metallische nanodeeltjes zoals nikkel, ijzer, koper, zink, aluminium en zilver worden toegevoegd om de elektrische en thermische geleidbaarheid te verbeteren.
- Organische nanomaterialen zoals montmorilloniet verbeteren de mechanische en vlamvertragende eigenschappen.
Ultrasone dispergeersystemen
Hielscher Ultrasonics biedt een breed assortiment ultrasone apparatuur – van kleinere tafelmodellen voor haalbaarheidstests tot robuuste industriële sonicatoren met maximaal 16kW per eenheid. Vermogen, betrouwbaarheid, nauwkeurige regelbaarheid en robuustheid maken de ultrasone dispergeersystemen van Hielscher tot het “werkpaard” in de productielijn voor formuleringen met micro- en nanodeeltjes. Onze sonicatoren verwerken waterige dispersies en dispersies op basis van oplosmiddelen tot hoge viscositeiten (tot 10.000cp) met gemak. Verschillende sonotrodes (ultrasone hoorns), boosters (versterkers/verzwakkers), doorstroomcelgeometrieën en andere accessoires maken een optimale aanpassing van het ultrasone dispergeerapparaat aan het product en de procesvereisten mogelijk.
De industriële ultrasone processors van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen direct continu worden toegepast bij 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7 bedrijf bij zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk. De ultrasone dispergeerapparaten van Hielscher worden wereldwijd geïnstalleerd voor grootschalige commerciële productie.
Ultrasone opstelling op maat voor nanodispersies
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000 |
| n.v.t. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.v.t. | hoger | cluster van UIP16000 |
Literatuur / Referenties
- Bitenieks, Juris; Meria, Remo Merijs; Zicans, Janis; Maksimovs, Roberts; Vasilec, Cornelia; Musteata, Valentina Elena (2012): Styrene–acrylate/carbon nanotube nanocomposites: mechanical, thermal, and electrical properties. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 2012, 61, 3, 172–177.
- Kaboorani, Alireza; Riedl, Bernard; Blanchet, Pierre (2013): Ultrasonication Technique: A Method for Dispersing Nanoclay in Wood Adhesives. Journal of Nanomaterials 2013.
- Momen, G.; Farzaneh, M. (2011): Survey of Micro/Nano Filler Use to improve Silicone Rubber For Outdoor Insulators. Review of Advanced Materials Science 27, 2011. 1-3.
- Sharma, S.D.; Singh, S. (2013): Synthesis and Characterization of Highly Effective Nano Sulfated Zirconia over Silica: Core-Shell Catalyst by Ultrasonic Irradiation. American Journal of Chemistry 2013, 3(4): 96-104.
Wetenswaardigheden
Synthetisch rubber
Een synthetisch rubber is een kunstmatig elastomeer. Synthetische rubbers zijn voornamelijk polymeren die worden gesynthetiseerd uit bijproducten van aardolie en worden, net als andere polymeren, gemaakt van verschillende monomeren op basis van aardolie. Het meest voorkomende synthetische rubber is styreen-butadieenrubber (SBR), dat wordt verkregen door copolymerisatie van styreen en 1,3-butadieen. Andere synthetische rubbers worden bereid uit isopreen (2-methyl-1,3-butadieen), chloropreen (2-chloor-1,3-butadieen) en isobutyleen (methylpropeen) met een klein percentage isopreen voor vernetting. Deze en andere monomeren kunnen in verschillende verhoudingen worden gemengd en gecopolymeriseerd om producten met uiteenlopende fysische, mechanische en chemische eigenschappen te produceren. De monomeren kunnen in zuivere vorm worden geproduceerd en de toevoeging van onzuiverheden of additieven kan gericht worden geregeld om optimale eigenschappen te verkrijgen. De polymerisatie van zuivere monomeren kan beter worden geregeld om een gewenste verhouding van cis- en trans-dubbele bindingen te verkrijgen.
Synthetisch rubber wordt, net als natuurrubber, veel gebruikt in de auto-industrie voor banden, deur- en raamprofielen, slangen, riemen, matten en vloerbedekking.
Natuurrubber
Natuurrubber staat ook bekend als India-rubber of caoutchouc. Natuurrubber wordt geclassificeerd als elastomeer en bestaat voornamelijk uit polymeren van de organische verbinding poly-cis-isopreen en water. Het bevat sporen van onzuiverheden zoals eiwitten, vuil enz. Natuurrubber, dat als latex wordt gewonnen uit de rubberboom Hevea Brasiliensis, vertoont uitstekende mechanische eigenschappen. In vergelijking met synthetische rubbers heeft natuurrubber echter lagere materiaalprestaties, vooral wat betreft de thermische stabiliteit en compatibiliteit met aardolieproducten. Natuurrubber kent een breed scala aan toepassingen, zowel op zichzelf als in combinatie met andere materialen. Het wordt vooral gebruikt vanwege zijn grote rekverhouding, hoge veerkracht en extreem hoge waterdichtheid. Het smeltpunt van rubber ligt bij ongeveer 180°C (356°F).
De onderstaande tabel geeft een overzicht van de verschillende soorten rubber:
| ISO | Technische naam | Gangbare naam |
|---|---|---|
| ACM | Polyacrylaatrubber | |
| AEM | Ethyleen-acrylaatrubber | |
| AU | Polyesterurethaan | |
| BIIR | Broom-isobutyleen-isopreen | Broombutyl |
| BR | Polybutadieen | Buna CB |
| CIIR | Chloor-isobutyleen-isopreen | Chloorbutyl, butyl |
| CR | Polychloropreen | Chloropreen, Neoprene |
| CSM | Chloorgesulfoneerd polyethyleen | Hypalon |
| ECO | Epichloorhydrine | ECO, epichloorhydrine, Epichlore, Epichloridrine, Herclor, Hydrin |
| EP | Ethyleen-propyleen | |
| EPDM | Ethyleen-propyleen-dieenmonomeer | EPDM, Nordel |
| EU | Polyetherurethaan | |
| FFKM | Perfluorkoolstofrubber | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Gefluoreerde koolwaterstof | Viton, Fluorel |
| FMQ | Fluorsilicone | FMQ, siliconenrubber |
| FPM | Fluorkoolstofrubber | |
| HNBR | Gehydrogeneerd nitril-butadieen | HNBR |
| IR | Polyisopreen | (Synthetisch) natuurrubber |
| IIR | Isobutyleen-isopreen-butyl | Butyl |
| NBR | Acrylonitril-butadieen | NBR, nitril, Perbunan, Buna-N |
| PU | Polyurethaan | PU, polyurethaan |
| SBR | Styreen-butadieen | SBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE |
| SEBS | Styreen-ethyleen-butyleen-styreencopolymeer | SEBS-rubber |
| SI | Polysiloxaan | Siliconenrubber |
| VMQ | Vinylmethylsilicone | Siliconenrubber |
| XNBR | Acrylonitril-butadieen-carboxymonomeer | XNBR, gecarboxyleerd nitril |
| XSBR | Styreen-butadieen-carboxymonomeer | |
| YBPO | Thermoplastische polyether-ester | |
| YSBR | Styreen-butadieenblokcopolymeer | |
| YXSBR | Styreen-butadieen-carboxyblokcopolymeer |
SBR
Styreen-butadieen of styreen-butadieenrubber (SBR) beschrijft synthetische rubbers die worden verkregen uit styreen en butadieen. Versterkt styreen-butadieen wordt gekenmerkt door zijn hoge slijtvastheid en goede verouderingsbestendigheid. De verhouding tussen styreen en butadieen bepaalt de polymeereigenschappen: bij een hoog styreengehalte worden de rubbers harder en minder rubberachtig.
De beperkingen van onversterkt SBR worden veroorzaakt door de lage sterkte zonder versterking, lage veerkracht, lage scheursterkte (vooral bij hoge temperaturen) en slechte kleverigheid. Daarom zijn versterkende middelen en vulstoffen nodig om de eigenschappen van SBR te verbeteren. Zo worden roetvulstoffen gebruikt om de sterkte en slijtvastheid sterk te verhogen.
Styreen
Styreen (C8H8) is bekend onder verschillende namen zoals ethenylbenzeen, vinylbenzeen, fenyletheen, fenylethyleen, cinnameen, styrol, diarex HF 77, styroleen en styropol. Het is een organische verbinding met de chemische formule C6H5CH=CH2. Styreen is de uitgangsstof voor polystyreen en verschillende copolymeren.
Het is een benzeenderivaat en komt voor als een kleurloze, olieachtige vloeistof die gemakkelijk verdampt. Styreen heeft een zoete geur die bij hoge concentraties verandert in een minder aangename geur.
In aanwezigheid van een vinylgroep vormt styreen een polymeer. Polymeren op basis van styreen worden commercieel geproduceerd om producten te verkrijgen zoals polystyreen, ABS, styreen-butadieenrubber (SBR), styreen-butadieenlatex, SIS (styreen-isopreen-styreen), S-EB-S (styreen-ethyleen/butyleen-styreen), styreen-divinylbenzeen (S-DVB), styreen-acrylonitrilhars (SAN) en onverzadigde polyesters die worden gebruikt in harsen en thermohardende verbindingen. Deze materialen zijn belangrijke componenten voor de productie van rubber, kunststof, isolatie, glasvezel, buizen, auto- en bootonderdelen, voedselverpakkingen en tapijtruggen.
Rubbertoepassingen
Rubber heeft vele materiaaleigenschappen zoals sterkte, een lange levensduur, waterbestendigheid en hittebestendigheid. Deze eigenschappen maken rubber zeer veelzijdig, waardoor het in vele industrieën wordt gebruikt. De belangrijkste toepassing van rubber is in de auto-industrie, voornamelijk voor de productie van banden. Verdere eigenschappen zoals stroefheid, zachtheid, duurzaamheid en veerkracht maken rubber tot een veelgebruikt composiet voor de productie van schoenen, vloerbedekking, medische en zorgbenodigdheden, huishoudelijke producten, speelgoed, sportartikelen en vele andere rubberproducten.
Nanoadditieven en vulstoffen
Vulstoffen en additieven op nanoschaal werken in rubbers als versterkende en beschermende middelen om de treksterkte, slijtvastheid, scheurweerstand en hysterese te verbeteren en het rubber te beschermen tegen foto- en thermische degradatie.
Silica
Silica (SiO2, siliciumdioxide) wordt in vele vormen gebruikt, zoals amorf silica, bijv. pyrogeen silica, silicafume en geprecipiteerd silica, om materiaaleigenschappen met betrekking tot dynamisch-mechanische eigenschappen, thermische verouderingsbestendigheid en morfologie te verbeteren. Met silica gevulde mengsels vertonen een toenemende viscositeit en vernettingsdichtheid naarmate het vulstofgehalte toeneemt. Hardheid, modulus, treksterkte en slijtage-eigenschappen werden geleidelijk verbeterd door de hoeveelheid silicavulstof te verhogen.
Roet
Roet is een vorm van parakristallijne koolstof met gechemisorbeerde zuurstofcomplexen (zoals carboxyl-, chinon-, lacton-, fenolgroepen en andere) die aan het oppervlak gebonden zijn. Deze zuurstofgroepen aan het oppervlak worden doorgaans samengevat onder de term “vluchtige complexen”. Vanwege dit gehalte aan vluchtige bestanddelen is roet een niet-geleidend materiaal. Roetdeeltjes die met koolstof-zuurstofcomplexen zijn gefunctionaliseerd, zijn gemakkelijker te dispergeren.
De hoge verhouding tussen oppervlak en volume van roet maakt het tot een veelgebruikte versterkende vulstof. Vrijwel alle rubberproducten waarvoor treksterkte en slijtvastheid essentieel zijn, gebruiken roet. Geprecipiteerd of pyrogeen silica wordt gebruikt als vervanger voor roet wanneer versterking van rubber nodig is, maar de zwarte kleur moet worden vermeden. Vulstoffen op basis van silica winnen echter ook marktaandeel in autobanden, omdat het gebruik van silicavulstoffen resulteert in een lager rolverlies dan bij met roet gevulde banden.
De onderstaande tabel geeft een overzicht van de soorten roet die in banden worden gebruikt
| Naam | Afk. | ASTM | Deeltjesgrootte nm | Treksterkte MPa | Relatieve slijtage in het laboratorium | Relatieve slijtage op de weg |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ovenroet met superieure slijtvastheid | SAF | N110 | 20–25 | 25,2 | 1,35 | 1,25 |
| Tussenkwaliteit SAF | ISAF | N220 | 24–33 | 23,1 | 1,25 | 1,15 |
| Ovenroet met hoge slijtvastheid | HAF | N330 | 28–36 | 22,4 | 1,00 | 1,00 |
| Gemakkelijk verwerkbaar kanaalroet | EPC | N300 | 30–35 | 21,7 | 0,80 | 0,90 |
| Ovenroet voor snelle extrusie | FEF | N550 | 39–55 | 18,2 | 0,64 | 0,72 |
| Ovenroet met hoge modulus | HMF | N660 | 49–73 | 16,1 | 0,56 | 0,66 |
| Halfversterkend ovenroet | SRF | N770 | 70–96 | 14,7 | 0,48 | 0,60 |
| Fijn thermisch roet | FT | N880 | 180–200 | 12,6 | 0,22 | – |
| Middelgrof thermisch roet | MT | N990 | 250–350 | 9,8 | 0,18 | – |
Grafeenoxide
Grafeenoxide dat in SBR is gedispergeerd, resulteert in een hoge treksterkte en scheursterkte, evenals een uitstekende slijtvastheid en lage rolweerstand, die belangrijke materiaaleigenschappen zijn voor de productie van banden. Met grafeenoxide en silica versterkt SBR biedt een concurrerend alternatief voor milieuvriendelijke bandenproductie en voor de productie van rubbercomposieten met hoge prestaties. Grafeen en grafeenoxide kunnen door sonicatie succesvol, betrouwbaar en gemakkelijk worden geëxfolieerd. Klik hier voor meer informatie over de ultrasone productie van grafeen!