Korzystna produkcja hydrożelu za pomocą ultradźwięków

Sonikacja jest wysoce skuteczną, niezawodną i prostą techniką przygotowania wysokowydajnych hydrożeli. Hydrożele te oferują doskonałe właściwości materiałowe, takie jak zdolność absorpcji, lepkosprężystość, wytrzymałość mechaniczna, moduł kompresji i funkcje samoleczenia.

Polimeryzacja ultradźwiękowa i dyspersja do produkcji hydrożeli

Hydrożele to hydrofilowe, trójwymiarowe sieci polimerowe, które są w stanie wchłonąć duże ilości wody lub płynów. Hydrożele wykazują niezwykłą zdolność pęcznienia. Typowe elementy składowe hydrożeli obejmują alkohol poliwinylowy, glikol polietylenowy, poliakrylan sodu, polimery akrylanowe, 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 chemicznie, funkcjonalnie i morfologicznie różnych materiałów, takich jak białka, peptydy lub nano- / mikrostruktury.
Dyspersja ultradźwiękowa jest szeroko stosowana jako wysoce wydajna i niezawodna technika homogenizacji nanomateriałów, takich jak nanorurki węglowe (CNT, MWCNT, SWCNT), nanokryształy celulozy, nanowłókna chitynowe, dwutlenek tytanu, nanocząstki srebra, białka i inne mikronowe 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 hydrożelu

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

Ultradźwiękowe sieciowanie i polimeryzacja hydrożeli

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

Cass et al. (2010) przygotowali kilka "hydrożeli akrylowych poprzez ultradźwiękową polimeryzację rozpuszczalnych w wodzie monomerów i makromonomerów. Ultradźwięki wykorzystano do tworzenia rodników inicjujących w lepkich wodnych roztworach monomerów przy użyciu dodatków glicerolu, sorbitolu lub glukozy w układzie otwartym w temperaturze 37°C. Rozpuszczalne w wodzie dodatki były niezbędne do produkcji hydrożeli, przy czym glicerol był najbardziej skuteczny. Hydrożele przygotowano z monomerów: metakrylanu 2-hydroksyetylu, dimetakrylanu poli(glikolu etylenowego), metakrylanu dekstranu, dimetakrylanu kwasu akrylowego/glikolu etylenowego i akrylamidu/bis-akrylamidu." [Cass et al. 2010] Stwierdzono, że zastosowanie ultradźwięków przy użyciu sondy ultradźwiękowej jest skuteczną metodą polimeryzacji rozpuszczalnych w wodzie monomerów winylowych, a następnie przygotowania hydrożeli. Polimeryzacja inicjowana ultradźwiękami zachodzi szybko przy braku inicjatora chemicznego.
Find the full protocol of the study here!
 

Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej syntezie nanokompozytowych hydrożeli i nanożeli!

Ultradźwięki są kompatybilne ze wszystkimi rodzajami polimerów i biopolimerów i pozwalają na wzmocnienie hydrożeli hybrydowych materiałami nanostrukturalnymi, takimi jak nanocząstki, nanokryształy lub nanowłókna. Wzmacnianie hydrożeli różnymi nanomateriałami pozwala modyfikować i kontrolować właściwości fizykochemiczne i reologiczno-mechaniczne nanokompozytowych hydrożeli, ponieważ mikrostruktury są kluczowym czynnikiem wpływającym na uzyskane właściwości materiału.

Wytwarzanie poli(akryloamidu-kwasu itakonowego) – Hydrożel MWCNT przy użyciu sonikacji

Mohammadinezhada et al. (2018) z powodzeniem wyprodukowali superabsorbujący kompozyt hydrożelowy zawierający poli(akrylamid-kwas itakonowy) i wielościenne nanorurki węglowe (MWCNT). Ultradźwięki przeprowadzono za pomocą urządzenia ultradźwiękowego Hielscher UP200SStabilność hydrożelu wzrastała wraz ze wzrostem stosunku MWCNT, co można przypisać hydrofobowej naturze MWCNT, jak również wzrostowi gęstości usieciowania. Zdolność zatrzymywania wody (WRC) hydrożelu P(AAm-co-IA) również wzrosła w obecności MWCNT (10% mas.). W tym badaniu efekty ultradźwięków zostały ocenione jako lepsze w odniesieniu do równomiernego rozmieszczenia nanorurek węglowych na powierzchni polimeru. MWCNT były nienaruszone bez żadnych przerw w strukturze polimerowej. Dodatkowo zwiększono wytrzymałość otrzymanego nanokompozytu i jego zdolność zatrzymywania wody oraz absorpcję innych rozpuszczalnych materiałów, takich jak Pb (II). Sonikacja przerwała inicjator i zdyspergowała MWCNT jako doskonały wypełniacz w łańcuchach polimerowych pod wpływem rosnącej temperatury.
Naukowcy doszli do wniosku, że tych "warunków reakcji nie można osiągnąć konwencjonalnymi metodami, a także nie można osiągnąć jednorodności i dobrego rozproszenia cząstek w żywicielu. Ponadto proces sonikacji rozdziela nanocząstki na pojedyncze cząstki, podczas gdy mieszanie nie może tego zrobić. Innym mechanizmem redukcji rozmiaru jest wpływ silnych fal akustycznych na wiązania wtórne, takie jak wiązanie wodorowe, które to napromieniowanie przerywa wiązanie 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 jest lepszą metodą niż inne, takie jak mieszanie magnetyczne stosowane w literaturze." [Mohammadinezhada et al., 2018].

Wysokowydajne ultradźwięki do syntezy hydrożeli

Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne urządzenia ultradźwiękowe do syntezy hydrożeli. Od małych i średnich R&D i pilotażowe ultrasonicators do systemów przemysłowych do komercyjnej produkcji hydrożelu w trybie ciągłym, Hielscher Ultrasonics ma swoje wymagania procesowe pokryte.
Ultradźwięki klasy przemysłowej mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy, które pozwalają na niezawodne reakcje sieciowania i polimeryzacji oraz równomierną dyspersję nanocząstek. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7/365. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe.

Już dziś zapytaj nas o dodatkowe informacje techniczne, ceny i niezobowiązującą wycenę. Nasz doświadczony personel z przyjemnością udzieli konsultacji!
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: