Korzystna produkcja hydrożeli za pomocą ultradźwięków

Sonikacja jest wysoce skuteczną, niezawodną i prostą techniką otrzymywania hydrożeli o wysokich parametrach użytkowych. Hydrożele te oferują doskonałe właściwości materiałowe, takie jak zdolność absorpcji, lepkosprężystość, wytrzymałość mechaniczna, moduł ściskania i zdolność samonaprawy.

Polimeryzacja i dyspergowanie ultradźwiękowe w produkcji hydrożeli

Hydrożele to hydrofilowe, trójwymiarowe sieci polimerowe zdolne do pochłaniania dużych ilości wody lub płynów. Hydrożele wykazują wyjątkową zdolność pęcznienia. Do powszechnie stosowanych składników budulcowych hydrożeli należą alkohol poliwinylowy, glikol polietylenowy, poliakrylan sodu, polimery akrylanowe, karbomery, polisacharydy lub polipeptydy o dużej liczbie grup hydrofilowych oraz naturalne białka, takie jak kolagen, żelatyna i fibryna.
Tak zwane hydrożele hybrydowe składają się z różnych materiałów odmiennych pod względem chemicznym, funkcjonalnym i morfologicznym, takich jak białka, peptydy lub nano- / mikrostruktury.
Dyspergowanie ultradźwiękowe jest szeroko stosowane jako wysoce wydajna i niezawodna technika jednorodnego rozprowadzania nanomateriałów, takich jak nanorurki węglowe (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), nanokryształy celulozy, nanowłókna chityny, dwutlenek tytanu, nanocząstki srebra, białka oraz inne mikro- lub nanostruktury, w matrycy polimerowej hydrożeli. Dzięki temu sonikacja stanowi jedno z głównych narzędzi do wytwarzania hydrożeli o wysokich parametrach użytkowych i wyjątkowych właściwościach.

Co pokazują badania – otrzymywanie hydrożeli za pomocą ultradźwięków

Po pierwsze, ultradźwięki wspomagają reakcje polimeryzacji i sieciowania podczas tworzenia hydrożeli.
Po drugie, wykazano, że sonikacja jest niezawodną i skuteczną techniką dyspergowania stosowaną w produkcji hydrożeli i hydrożeli nanokompozytowych.

Ultradźwiękowe sieciowanie i polimeryzacja hydrożeli

Sonikacja wspomaga tworzenie sieci polimerowych podczas syntezy hydrożeli poprzez generowanie wolnych rodników. Intensywne fale ultradźwiękowe generują kawitację akustyczną, która powoduje powstawanie dużych sił ścinających, ścinanie na poziomie molekularnym oraz tworzenie wolnych rodników.

Cass i in. (2010) otrzymali kilka hydrożeli akrylowych: „Hydrożele akrylowe otrzymano poprzez ultradźwiękową polimeryzację rozpuszczalnych w wodzie monomerów i makromonomerów. Ultradźwięki wykorzystano do tworzenia rodników inicjujących w lepkich wodnych roztworach monomerów z dodatkiem glicerolu, sorbitolu lub glukozy w układzie otwartym w temperaturze 37°C. Rozpuszczalne w wodzie dodatki były niezbędne do otrzymywania hydrożeli, przy czym najskuteczniejszy był glicerol. Hydrożele otrzymano z następujących monomerów: metakrylanu 2-hydroksyetylu, dimetakrylanu glikolu polietylenowego, metakrylanu dekstranu, kwasu akrylowego/dimetakrylanu glikolu etylenowego oraz akrylamidu/bis-akrylamidu.” [Cass et al. 2010] Stwierdzono, że zastosowanie ultradźwięków za pomocą sonikatora z sonotrodą stanowi skuteczną metodę polimeryzacji rozpuszczalnych w wodzie monomerów winylowych i późniejszego otrzymywania hydrożeli. Polimeryzacja inicjowana ultradźwiękami przebiega szybko bez obecności inicjatora chemicznego.
Pełny protokół badania znajdziesz tutaj!
 

Ultradźwiękowe dyspergowanie krzemionki pirogenicznej: homogenizator ultradźwiękowy Hielscher UP400S szybko i skutecznie dysperguje proszek krzemionkowy, rozdzielając go na pojedyncze nanocząstki.

Dowiedz się więcej o ultradźwiękowej syntezie hydrożeli nanokompozytowych i nanożeli!

Sonikacja jest kompatybilna ze wszystkimi rodzajami polimerów i biopolimerów oraz umożliwia wzmacnianie hydrożeli hybrydowych materiałami nanostrukturalnymi, takimi jak nanocząstki, nanokryształy lub nanowłókna. Wzmacnianie hydrożeli różnymi nanomateriałami pozwala modyfikować i kontrolować właściwości fizykochemiczne i reomechaniczne hydrożeli nanokompozytowych, ponieważ mikrostruktury są kluczowym czynnikiem decydującym o uzyskanych właściwościach materiału.

Wytwarzanie hydrożelu poli(akrylamid-co-kwas itakonowy) – MWCNT za pomocą sonikacji

Mohammadinezhada i in. (2018) z powodzeniem wytworzyli superabsorpcyjny kompozyt hydrożelowy zawierający poli(akrylamid-co-kwas itakonowy) i wielościenne nanorurki węglowe (MWCNTs). Sonikację przeprowadzono za pomocą urządzenia ultradźwiękowego Hielscher UP200S. Stabilność hydrożelu wzrastała wraz ze wzrostem udziału MWCNTs, co mogło wynikać z hydrofobowego charakteru MWCNTs oraz ze wzrostu gęstości środka sieciującego. Zdolność zatrzymywania wody (WRC) przez hydrożel P(AAm-co-IA) również wzrosła w obecności MWCNT (10 wt%). W tym badaniu efekty sonikacji oceniono jako lepsze pod względem równomiernego rozmieszczenia nanorurek węglowych na powierzchni polimeru. MWCNTs pozostały nienaruszone, bez jakiegokolwiek naruszenia struktury polimerowej. Ponadto wzrosły wytrzymałość otrzymanego nanokompozytu, jego zdolność zatrzymywania wody oraz absorpcja innych rozpuszczalnych substancji, takich jak Pb (II). Sonikacja powodowała rozpad inicjatora i dyspergowała MWCNTs jako doskonały wypełniacz w łańcuchach polimerowych przy wzrastającej temperaturze.
Badacze stwierdzają, że takich „warunków reakcji nie można osiągnąć metodami konwencjonalnymi, a jednorodności i dobrego zdyspergowania cząstek w matrycy nie można uzyskać. Ponadto proces sonikacji rozdziela nanocząstki na pojedyncze cząstki, czego nie można osiągnąć przez mieszanie. Innym mechanizmem zmniejszania rozmiaru jest oddziaływanie silnych fal akustycznych na wiązania wtórne, takie jak wiązania wodorowe; oddziaływanie to zrywa wiązania wodorowe między cząstkami, a następnie rozdziela zagregowane cząstki i zwiększa liczbę wolnych grup adsorpcyjnych, takich jak -OH, oraz ich dostępność. Zatem to istotne zjawisko sprawia, że proces sonikacji jest metodą lepszą od innych, takich jak mieszanie magnetyczne stosowane w literaturze.” [Mohammadinezhada et al., 2018]

Sonikatory o wysokiej wydajności do syntezy hydrożeli

Hielscher Ultrasonics produkuje urządzenia ultradźwiękowe o wysokiej wydajności do syntezy hydrożeli. Od małych i średnich sonikatorów do prac badawczo-rozwojowych i zastosowań pilotażowych po systemy przemysłowe do komercyjnej produkcji hydrożeli w trybie ciągłym – Hielscher Ultrasonics spełnia wymagania Twojego procesu.
Sonikatory klasy przemysłowej mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy, które umożliwiają niezawodne reakcje sieciowania i polimeryzacji oraz równomierne dyspergowanie nanocząstek. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w pracy ciągłej w trybie 24/7/365. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do indywidualnych potrzeb.

Poproś nas już dziś o dodatkowe informacje techniczne, ceny i niezobowiązującą ofertę. Nasi pracownicy z wieloletnim doświadczeniem chętnie Ci doradzą!
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Hielscher SonoStation ułatwia sonikację partii średniej wielkości z użyciem reaktora przepływowego. Kompaktowa stacja SonoStation łączy zbiornik o pojemności 38 litrów wyposażony w mieszadło z regulowaną pompą ślimakową, która może podawać do 3 litrów na minutę do jednego lub dwóch ultradźwiękowych reaktorów przepływowych.