Korzystne wytwarzanie hydrożeli za pomocą ultradźwięków

Sonikacja jest wysoce efektywną, niezawodną i prostą techniką otrzymywania wysokowydajnych hydrożeli. Hydrożele te oferują doskonałe właściwości materiałowe, takie jak zdolność absorpcji, lepkosprężystość, wytrzymałość mechaniczną, moduł sprężystości i funkcje samoregeneracji.

Polimeryzacja i dyspersja ultradźwiękowa w produkcji hydrożeli

Hydrożele to hydrofilowe, trójwymiarowe sieci polimerowe, które są w stanie wchłonąć duże ilości wody lub płynów. Hydrożele wykazują niezwykłą zdolność do pęcznienia. Typowymi elementami budulcowymi hydrożeli są: alkohol poliwinylowy, glikol polietylenowy, poliakrylan sodu, polimery akrylowe, karbomery, polisacharydy lub polipeptydy z dużą liczbą grup hydrofilowych oraz naturalne białka, takie jak kolagen, żelatyna i fibryna.
Tak zwane hydrożele hybrydowe składają się z różnych materiałów różniących się pod względem chemicznym, funkcjonalnym i morfologicznym, takich jak białka, peptydy lub nano-/mikrostruktury.
Dyspersja ultradźwiękowa jest szeroko stosowana jako wysoce wydajna i niezawodna technika homogenizacji nanomateriałów, takich jak nanorurki węglowe (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), nanokryształy celulozy, nanowłókna chityny, dwutlenek tytanu, nanocząstki srebra, białka i inne mikro- lub nanostruktury w polimerowej matrycy hydrożeli. To sprawia, że sonikacja jest głównym narzędziem do produkcji wysokowydajnych hydrożeli o niezwykłych właściwościach.

Co pokazują badania – Ultradźwiękowe przygotowanie hydrożeli

Po pierwsze, ultradźwięki sprzyjają reakcjom polimeryzacji i sieciowania podczas tworzenia hydrożelu.
Po drugie, ultradźwięki okazały się niezawodną i efektywną techniką dyspersyjną do produkcji hydrożeli i hydrożeli nanokompozytowych.

Ultradźwiękowe sieciowanie i polimeryzacja hydrożeli

Ultradźwięki wspomagają tworzenie sieci polimerowych podczas syntezy hydrożeli poprzez generowanie wolnych rodników. Intensywne fale ultradźwiękowe generują kawitację akustyczną, która powoduje duże siły ścinające, ścinanie cząsteczek i tworzenie wolnych rodników.

Cass i wsp. (2010) przygotowali kilka "hydrożeli akrylowych otrzymanych na drodze polimeryzacji ultradźwiękowej rozpuszczalnych w wodzie monomerów i makromonomerów. Ultradźwięki wykorzystywano do tworzenia rodników inicjujących w lepkich wodnych roztworach monomerów z dodatkiem glicerolu, sorbitolu lub glukozy w układzie otwartym w temperaturze 37°C. Dodatki rozpuszczalne w wodzie były niezbędne do wytworzenia hydrożeli, przy czym najbardziej efektywny był glicerol. Hydrożele przygotowywano z monomerów: metakrylanu 2-hydroksyetylu, dimetakrylanu poli(glikolu etylenowego), metakrylanu dekstranu, dimetakrylanu kwasu akrylowego/glikolu etylenowego oraz akryloamidu/bis-akryloamidu." [Cass et al. 2010] Stwierdzono, że zastosowanie ultradźwięków przy użyciu ultradźwiękowca z sondą jest skuteczną metodą polimeryzacji rozpuszczalnych w wodzie monomerów winylowych i późniejszego otrzymywania hydrożeli. Polimeryzacja inicjowana ultradźwiękami zachodzi szybko przy braku inicjatora chemicznego.

Read more about Ultradźwiękowa synteza nanokompozytowych hydrożeli i nanożeli!

Ultradźwięki są kompatybilne ze wszystkimi rodzajami polimerów i biopolimerów i pozwalają na wzmocnienie hybrydowych hydrożeli materiałami nanostrukturalnymi, takimi jak nanocząstki, nanokryształy czy nanowłókna. Wzmacnianie hydrożeli różnymi nanomateriałami pozwala na modyfikację i kontrolę właściwości fizykochemicznych i reo-mechanicznych hydrożeli nanokompozytowych, ponieważ mikrostruktura jest kluczowym czynnikiem wpływającym na uzyskane właściwości materiału.

Otrzymywanie poli(akryloamidu i kwasu tytoniowego) – Hydrożel MWCNT z zastosowaniem sonikacji

Mohammadinezhada i wsp. (2018) z powodzeniem wytworzyli superabsorbujący kompozyt hydrożelowy zawierający poli(akrylamid-co-itaconic acid) i wielościenne nanorurki węglowe (MWCNTs). Ultrasonikowanie przeprowadzono za pomocą urządzenia ultradźwiękowego firmy Hielscher UP200SStabilność hydrożelu wzrasta wraz ze wzrostem ilości MWCNT, co można przypisać hydrofobowemu charakterowi MWCNT oraz wzrostowi gęstości usieciowania. Zdolność zatrzymywania wody (WRC) hydrożelu P(AAm-co-IA) również wzrasta w obecności MWCNT (10 % mas.). W niniejszej pracy efekt ultradźwiękowy oceniono jako lepszy pod względem równomiernego rozmieszczenia nanorurek węglowych na powierzchni polimeru. MWCNT pozostawały nienaruszone, bez żadnych przerw w strukturze polimeru. Dodatkowo zwiększono wytrzymałość otrzymanego nanokompozytu oraz jego zdolność do retencji wody i absorpcji innych rozpuszczalnych materiałów, takich jak Pb (II). Sonikacja spowodowała zerwanie inicjatora i rozproszenie MWCNT jako doskonałego napełniacza w łańcuchach polimerowych pod wpływem rosnącej temperatury.
Naukowcy stwierdzają, że "warunki reakcji nie mogą być osiągnięte za pomocą konwencjonalnych metod, a homogeniczność i dobre rozproszenie cząstek w gospodarzu nie może być osiągnięte. Ponadto, proces sonikacji rozdziela nanocząstki na pojedyncze cząstki, podczas gdy mieszanie nie jest w stanie tego dokonać. Innym mechanizmem redukcji wielkości cząstek jest wpływ silnych fal akustycznych na wiązania wtórne, takie jak wiązanie wodorowe, które przerywa wiązania H cząstek, a następnie dysocjuje zagregowane cząstki i zwiększa liczbę wolnych grup adsorpcyjnych, takich jak -OH i dostępność. Tak więc, to ważne wydarzenie sprawia, że proces sonikacji jako lepszej metody w porównaniu do innych, takich jak mieszanie magnetyczne stosowane w literaturze." [Mohammadinezhada et al., 2018].

Wysokowydajne ultradźwięki do syntezy hydrożeli

Firma Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne urządzenia ultradźwiękowe do syntezy hydrożeli. Od małych i średnich urządzeń R&Firma Hielscher Ultrasonics posiada w swojej ofercie ultradźwiękowe urządzenia D i pilotażowe, aż po przemysłowe systemy do komercyjnej produkcji hydrożeli w trybie ciągłym.
Ultradźwiękowe urządzenia klasy przemysłowej mogą dostarczyć bardzo wysokie amplitudy, które umożliwiają niezawodne sieciowanie i reakcje polimeryzacji oraz równomierne rozproszenie nanocząsteczek. Amplitudy do 200µm mogą być z łatwością stosowane w trybie ciągłym 24/7/365. Dla jeszcze większych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do potrzeb klienta.

Już dziś zapytaj nas o dodatkowe informacje techniczne, ceny i niezobowiązującą ofertę. Nasi długoletni doświadczeni pracownicy chętnie udzielą Państwu konsultacji!
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: