Ultrasone voorbereiding van versterkt rubber
- Versterkte rubbers hebben een hogere treksterkte, rek, slijtvastheid en een betere verouderingsstabiliteit.
- Vulstoffen zoals roet (bv. CNT's, MWNT's), grafeen of silica moeten homogeen gedispergeerd zijn in de matrix om de gewenste materiaaleigenschappen te verkrijgen.
- Vermogensextrasie geeft een superieure distributiekwaliteit van monodispersie nanodeeltjes met zeer versterkende eigenschappen.
ultrasone dispersie
Ultrasoon gebruik wordt veel toegepast voor het dispergeren van nanomaterialen zoals monodisperse nanodeeltjes en nanobuisjes, omdat ultrasoon gebruik de scheiding en functionalisatie van de deeltjes en buisjes sterk verbetert.
Ultrasone dispergeerapparatuur creëert cavitatie en hoge schuifkrachten om nanodeeltjes en nanobuisjes te verstoren, te deagglomereren, te ontwarren en te dispergeren. De intensiteit van de sonicatie kan nauwkeurig worden aangepast en geregeld zodat de ultrasone verwerkingsparameters perfect worden aangepast, rekening houdend met de concentratie, agglomeratie en uitlijning/verstrengeling van het nanomateriaal. Zo kunnen nanomaterialen optimaal worden verwerkt op basis van hun specifieke materiaalvereisten. Optimale dispersieomstandigheden als gevolg van individueel aangepaste ultrasone procesparameters resulteren in een hoogwaardig eindrubber nanosamenstelling met superieure versterkende eigenschappen van de nano-additieven en -vullers.
Door de superieure dispersiekwaliteit van ultrasoon en de daardoor bereikte uniforme dispersie, is een zeer lage vulstofbelasting voldoende om uitstekende materiaaleigenschappen te verkrijgen.
industrieel ultrasoon systeem
Ultrasoon met koolstof versterkt zwart rubber
Carbon black is een van de belangrijkste vulstoffen in rubbers, vooral voor banden, om het rubbermateriaal slijtvastheid en treksterkte te geven. Carbon black deeltjes zijn sterk geneigd om aggregaten te vormen die moeilijk homogeen te dispergeren zijn. Carbon black wordt vaak gebruikt in verf, email, drukinkt, nylon en plastic kleurstoffen, latexmengsels, wasmengsels, fotocoatings en nog veel meer.
Ultrasone dispersie maakt het mogelijk om te deagglomereren en uniform te mengen met een zeer hoge monodispersiteit van de deeltjes.
Klik hier voor meer informatie over ultrasone dispersie voor versterkte composieten!
Ultrasoon CNT- / MWCNT-versterkt rubber
Ultrasone homogenisatoren zijn krachtige dispergeersystemen die nauwkeurig geregeld en aangepast kunnen worden aan de proces- en materiaalvereisten. De nauwkeurige regeling van de ultrasone procesparameters is vooral belangrijk voor het dispergeren van nanobuisjes zoals MWNT's of SWNT's omdat de nanobuisjes moeten worden ontward tot afzonderlijke buisjes zonder beschadigd te raken (bv. afsplitsing). Onbeschadigde nanobuisjes hebben een hoge aspectratio (tot 132.000.000:1) zodat ze uitzonderlijke sterkte en stijfheid geven wanneer ze in een composiet worden geformuleerd. Krachtige, nauwkeurig afgestelde sonicatie overwint de Van der Waals krachten en dispergeert en ontwart de nanobuisjes, wat resulteert in een hoogwaardig rubbermateriaal met uitzonderlijke treksterkte en elasticiteitsmodulus.
Verder, ultrasone functionalisatie wordt gebruikt om koolstofnanobuizen te modificeren om de gewenste eigenschappen te verkrijgen die gebruikt kunnen worden in allerlei toepassingen.
Ultrasone toestellen voor de continue dispersie van nanomaterialen, roet of actieve kool.
Ultrasoon nanosilica versterkt rubber
Ultrasone dispergeerders leveren een zeer uniforme deeltjesverdeling van silica (SiO2) nanodeeltjes in rubberpolymeeroplossingen. Silica (SiO2) nanodeeltjes moeten homogeen verdeeld zijn als mono gedispergeerde deeltjes in gepolymeriseerd styreen-butadieen en andere rubbers. Mono gedispergeerde nano-SiO2 fungeert als versterkend middel dat de taaiheid, sterkte, rek, buig- en anti-verouderingsprestaties aanzienlijk verbetert. Voor nanodeeltjes geldt: Hoe kleiner de deeltjesgrootte, hoe groter het specifieke oppervlak van de deeltjes. Met een hogere oppervlakte/volume (S/V) verhouding worden betere structurele en versterkende effecten verkregen, wat de treksterkte en hardheid van rubberproducten verhoogt.
Ultrasone dispersie van siliciumdioxide nanodeeltjes maakt het mogelijk om de procesparameters precies te regelen zodat een sferische morfologie, precies aangepaste deeltjesgrootte en zeer smalle grootteverdeling wordt verkregen.
Ultrasoon gedispergeerde silica resulteert in de beste materiaalprestaties van daardoor versterkt rubber.
Klik hier voor meer informatie over het ultrasoon dispergeren van SiO2!
Ultrasone dispersie van versterkende additieven
Sonificatie heeft bewezen dat het vele andere materialen met nanodeeltjes kan dispergeren om de modulus, treksterkte en vermoeidheidseigenschappen van rubbercomposieten te verbeteren. Aangezien de deeltjesgrootte, vorm, oppervlakte en oppervlakteactiviteit van vulstoffen en versterkende additieven cruciaal zijn voor hun prestaties, zijn krachtige en betrouwbare ultrasone dispergeerders een van de meest gebruikte methoden om micro- en nanodeeltjes te formuleren in rubberproducten.
Typische additieven en vulstoffen die door sonicatie als uniform verdeelde of monodisperse deeltjes in rubbermatrices worden opgenomen, zijn calciumcarbonaat, kaolinklei, pyrogeen kiezelzuur, geprecipiteerd kiezelzuur, grafietoxide, grafeen, mica, talk, bariet, wollastoniet, geprecipiteerde silicaten, pyrogeen kiezelzuur en diatomiet.
Wanneer oliezuur gefunctionaliseerd TiO2 nanodeeltjes ultrasoon worden gedispergeerd in styreen-butadieenrubber, zelfs een zeer kleine hoeveelheid van de oliezuur-SiO2 resulteert in aanzienlijk verbeterde modulus, treksterkte en vermoeiingseigenschappen en werkt als beschermend middel tegen foto- en thermische degradatie.
- Aluminiumoxide trihydraat (Al2O3) wordt toegevoegd als vlamvertrager, om de thermische geleiding te verbeteren en voor tracking en erosiebestendigheid.
- Vulstoffen van zinkoxide (ZnO) verhogen de relatieve permittiviteit en de thermische geleidbaarheid.
- Titaandioxide (TiO2) verbetert de thermische en elektrische geleidbaarheid.
- Calciumcarbonaat (CaCO3) wordt gebruikt als additief 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.
- Koolstofnanobuizen (CNT's) verbeteren de mechanische eigenschappen zoals treksterkte en elektrische en thermische geleidbaarheid aanzienlijk.
- Meerwandige koolstofnanobuizen (MWNTs) verbeteren de elasticiteitsmodulus en de rekgrens. Zo resulteert slechts 1 wt.% MWNT's in een epoxy in een toename van de Young-modulus en de rekgrens met respectievelijk 100% en 200% ten opzichte van de pure matrix.
- Enkelwandige koolstofnanobuizen (SWNT's) verbeteren de mechanische eigenschappen en thermische geleidbaarheid.
- Koolstofnanovezels (CNF) voegen sterkte, hittebestendigheid en duurzaamheid toe.
- Metalen nanodeeltjes zoals nikkel, ijzer, koper, zink, aluminium, en Zilver toegevoegd om de elektrische en thermische geleidbaarheid te verbeteren.
- Organische nanomaterialen zoals montmorilloniet de mechanische en vlamvertragende eigenschappen verbeteren.
Ultrasone dispersiesystemen
Hielscher Ultrasonics biedt een breed assortiment ultrasone apparatuur – van kleinere bench-top systemen voor haalbaarheidstests tot heavy-duty industriële ultrasone eenheden met tot 16kW per eenheid. Kracht, betrouwbaarheid, nauwkeurige regelbaarheid en robuustheid maken Hielscher's ultrasone dispergeersystemen tot de beste in hun klasse. “werkpaard” in de productielijn van micron- en nanogediculeerde formuleringen. Onze ultrasone machines kunnen dispersies op basis van water en oplosmiddelen verwerken tot hoge viscositeiten (tot 10.000 cp) gemakkelijk. Dankzij verschillende sonotrodes (ultrasone hoorns), boosters (versterker/verkleiner), flowcelgeometrieën en andere accessoires kan de ultrasone dispergeerder optimaal worden aangepast aan het product en de procesvereisten.
Hielscher Ultrasonics’ industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes. Amplitudes tot 200 µm kunnen continu en 24 uur per dag worden gebruikt. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. De robuustheid van Hielscher's ultrasone apparatuur maakt het mogelijk om 24/7 werking op zwaar gebruik en in veeleisende omgevingen. Hielscher's ultrasone dispersers worden wereldwijd geïnstalleerd voor grootschalige commerciële productie.
Aangepaste ultrasone opstelling voor nanodispersies
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 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 | UIP4000 |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | 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 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), afgeleid van de 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 de verknoping. Deze en andere monomeren kunnen in verschillende verhoudingen worden gemengd om te copolymeriseren en zo producten te maken met een reeks fysische, mechanische en chemische eigenschappen. De monomeren kunnen zuiver worden geproduceerd en de toevoeging van onzuiverheden of additieven kan door het ontwerp worden geregeld om optimale eigenschappen te verkrijgen. De polymerisatie van pure monomeren kan beter gecontroleerd worden om een gewenste verhouding van cis- en trans-dubbele bindingen te verkrijgen.
Synthetisch rubber wordt, net als natuurlijk rubber, veel gebruikt in de auto-industrie voor banden, deur- en raamprofielen, slangen, riemen, matten en vloerbedekking.
natuurrubber
Natuurlijk rubber staat ook bekend als Indisch rubber of caoutchouc. Natuurlijk rubber is geclassificeerd als elastomeer en bestaat voornamelijk uit polymeren van de organische verbinding poly-cis-isopreen en water. Het bevat sporen van onzuiverheden zoals proteïne, vuil enz. Natuurlijk rubber, dat als latex afkomstig is van de rubberboom Hevea Brasiliensisheeft uitstekende mechanische eigenschappen. In vergelijking met synthetische rubbers heeft natuurrubber echter minder goede materiaalprestaties, vooral wat betreft de thermische stabiliteit en de compatibiliteit met aardolieproducten. Natuurlijk rubber heeft een breed scala aan toepassingen, alleen of in combinatie met andere materialen. Meestal wordt het gebruikt vanwege de grote rekbaarheid, de hoge veerkracht en de 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 | Gebruikelijke naam |
|---|---|---|
| ACM | Polyacrylaatrubber | |
| AEM | Ethyleen-acrylaatrubber | |
| Au | Polyester Urethaan | |
| BIIR | Broom Isobutyleen Isopreen | Broombutyl |
| BR | Polybutadieen | Buna CB |
| CIIR | Chloorisobutyleen Isopreen | Chloorbutyl, Butyl |
| CR | Polychloropreen | Chloropreen, Neopreen |
| CSM | Gechloreerd polyethyleen | Hypalon |
| ECO | Epichloorhydrine | ECO, epichloorhydrine, epichloor, epichloridrine, herclor, hydrine |
| EP | Ethyleen Propyleen | |
| EPDM | Ethyleenpropyleendieenmonomeer | EPDM, Nordel |
| EU | Polyether Urethaan | |
| FFKM | Rubber met perfluorkoolstof | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Gefluoreerde koolwaterstof | Viton, Fluorel |
| FMQ | Fluorsilicone | FMQ, Siliconenrubber |
| FPM | Fluorkoolstofrubber | |
| HNBR | Gehydrogeneerde nitril-butadieen | HNBR |
| IR | Polyisopreen | (Synthetisch) Natuurlijk rubber |
| 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 styreen copolymeer | SEBS Rubber |
| Si | Polysiloxaan | siliconenrubber |
| VMQ | Vinyl-methylsilicone | siliconenrubber |
| XNBR | Acrylonitril Butadieen Carboxy Monomeer | XNBR, gecarboxyleerd nitril |
| XSBR | Styreenbutadieencarboxymeer | |
| YBPO | Thermoplastisch polyether-ester | |
| YSBR | Styreen-butadieen-blokcopolymeer | |
| YXSBR | Styreen-butadieen-karboxy blokcopolymeer |
SBR
Styreen-butadieenrubber of styreen-butadieenrubber (SBR) beschrijft synthetische rubbersoorten die zijn afgeleid van styreen en butadieen. Versterkt styreen-butadieen wordt gekenmerkt door zijn hoge slijtvastheid en goede anti-verouderingseigenschappen. De verhouding tussen styreen en butadieen bepaalt de eigenschappen van het polymeer: bij een hoog styreengehalte wordt het rubber harder en minder rubberachtig.
De beperkingen van niet-versterkt SBR zijn de lage sterkte zonder versterking, de lage veerkracht, de lage scheursterkte (vooral bij hoge temperaturen) en de slechte kleefkracht. Daarom zijn versterkende middelen en vulstoffen nodig om de eigenschappen van SBR te verbeteren. Zo worden bijvoorbeeld roetvullers gebruikt om de sterkte en slijtvastheid sterk te verbeteren.
styreen
Styreen (C8H8) is bekend onder verschillende namen zoals etheenbenzeen, vinylbenzeen, fenyletheen, fenyletheen, cinnamene, styrol, diarex HF 77, styroleen en styropol. Het is een organische verbinding met de chemische formule C6H5CH=CH2. Styreen is de precursor van polystyreen en verschillende copolymeren.
Het is een benzeenderivaat en verschijnt 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 (styreenethyleen/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, plastic, isolatie, glasvezel, buizen, auto- en bootonderdelen, voedselcontainers en tapijtruggen.
Rubbertoepassingen
Rubber heeft veel materiaaleigenschappen zoals sterkte, lange levensduur, waterbestendigheid en hittebestendigheid. Deze eigenschappen maken rubber zeer veelzijdig, zodat het in veel industrieën wordt gebruikt. Rubber wordt vooral gebruikt in de auto-industrie, voornamelijk voor de productie van banden. Andere eigenschappen, zoals de stroefheid, zachtheid, duurzaamheid en veerkracht, maken van rubber een veelgebruikt composiet dat wordt gebruikt voor de productie van schoenen, vloerbedekkingen, medische en gezondheidszorgbenodigdheden, huishoudelijke producten, speelgoed, sportartikelen en vele andere rubberproducten.
Nano-additieven en vulstoffen
Vulstoffen en additieven van nanogrootte in rubbers werken als versterkende en beschermende middelen om de treksterkte, slijtvastheid, scheurvastheid en hysterese te verbeteren en om het rubber te beschermen tegen foto- en thermische degradatie.
Kiezelzuur
Siliciumdioxide (SiO2siliciumdioxide) wordt gebruikt in vele vormen zoals amorf silica, bv. pyrogene silica, silicaume, geprecipiteerde silica om de materiaaleigenschappen met betrekking tot dynamische mechanische eigenschappen, weerstand tegen thermische veroudering en morfologie te verbeteren. Met silica gevulde compounds vertonen een stijgende viscositeit en crosslinkdichtheid bij een stijgend vulstofgehalte. Hardheid, modulus, treksterkte en slijtagekenmerken werden progressief verbeterd door de hoeveelheid silicavulstof te verhogen.
zwarte koolstof
Carbon black is een vorm van parakristallijne koolstof met chemisorbed zuurstofcomplexen (zoals carboxyl-, chinon-, lacton- en fenolgroepen) aan het oppervlak. Deze zuurstofgroepen aan het oppervlak worden meestal gegroepeerd onder de term “vluchtige complexen”. Door dit vluchtige gehalte is carbon black een niet-geleidend materiaal. Met koolstof-zuurstofcomplexen gefunctionaliseerde roetdeeltjes zijn gemakkelijker te dispergeren.
De hoge oppervlakte-volumeverhouding van carbonzwart maakt het een veelgebruikte versterkende vulstof. In bijna alle rubberproducten, waarvoor treksterkte en slijtvastheid essentieel zijn, wordt carbonzwart gebruikt. Geprecipiteerd of gefumeerd silica wordt gebruikt als vervanging voor carbon black, wanneer rubber moet worden versterkt maar de zwarte kleur moet worden vermeden. Vulstoffen op basis van silica winnen echter ook marktaandeel in autobanden, omdat het gebruik van silica resulteert in een lager rolverlies in vergelijking met banden gevuld met carbon black.
De onderstaande tabel geeft een overzicht van de soorten carbonblack die in banden worden gebruikt
| Naam | Afkorting. | astm | Deeltjesgrootte nm | Treksterkte MPa | Relatieve laboratoriumschuring | Relatieve slijtage door wegslijtage |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Super schuuroven | SAF | N110 | 20-25 | 25.2 | 1.35 | 1.25 |
| Gemiddelde SAF | ISAF | N220 | 24-33 | 23.1 | 1.25 | 1.15 |
| Oven met hoge slijtage | HAF | N330 | 28-36 | 22.4 | 1.00 | 1.00 |
| Gemakkelijk verwerkingskanaal | EPC | N300 | 30-35 | 21.7 | 0.80 | 0.90 |
| Snelle extrusieoven | FEF | N550 | 39-55 | 18.2 | 0.64 | 0.72 |
| Oven met hoge modulus | HMF | N660 | 49-73 | 16.1 | 0.56 | 0.66 |
| Semi-versterkingsoven | SRF | N770 | 70-96 | 14.7 | 0.48 | 0.60 |
| Fijn Thermisch | FT | N880 | 180-200 | 12.6 | 0.22 | – |
| Medium Thermisch | MT | N990 | 250-350 | 9.8 | 0.18 | – |
grafeenoxide
Grafeenoxide gedispergeerd in SBR resulteert in een hoge treksterkte en scheursterkte, evenals een uitstekende slijtvastheid en lage rolweerstand, wat 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 hoogwaardige rubbercomposieten. Grafeen en grafeenoxide kunnen succesvol, betrouwbaar en gemakkelijk worden geëxfolieerd onder sonicatie. Klik hier voor meer informatie over de ultrasone fabricage van grafeen!