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.

Ultradźwiękowiec UIP1000hdT ze szklanym reaktorem do syntezy hydrożelu
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!
- nanocząstki, np. TiO2
- nanorurki węglowe (CNT)
- nanokryształy celulozy (CNC)
- nanowłókna celulozy
- gumy, np. ksantan, guma z nasion szałwii lekarskiej
- białka
Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej syntezie nanokompozytowych hydrożeli i nanożeli!

Tworzenie hydrożelu poprzez żelowanie wspomagane ultradźwiękami przy użyciu ultradźwiękowy UP100H (Badanie i film: Rutgeerts et al., 2019)

SEM hydrożelu poli(akrylamid-co-kwas itakonowy) zawierającego MWCNT. MWCNT zdyspergowano ultradźwiękowo za pomocą ultrasonografu UP200S.
badanie i zdjęcie: Mohammadinezhada et al., 2018
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.
- wysoka wydajność
- najnowocześniejsza technologia
- niezawodność & solidność
- partia & inline
- dla dowolnego wolumenu
- inteligentne oprogramowanie
- inteligentne funkcje (np. protokołowanie danych)
- CIP (clean-in-place)
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:
Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
---|---|---|
1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Fakty, które warto znać
Do czego służą hydrożele?
Hydrożele są stosowane w wielu gałęziach przemysłu, takich jak farmacja do dostarczania leków (np. uwalniane w czasie, doustne, dożylne, miejscowe lub doodbytnicze dostarczanie leków), medycyna (np. jako rusztowania w inżynierii tkankowej, implanty piersi, materiały biomechaniczne, opatrunki na rany), produkty kosmetyczne, produkty pielęgnacyjne (np. soczewki kontaktowe, pieluchy, podpaski higieniczne), rolnictwo (np. preparaty pestycydowe, granulki do utrzymywania wilgoci w glebie na obszarach suchych), badania materiałowe jako polimery funkcjonalne (np. materiały wybuchowe w żelu wodnym, enkapsulacja kropek kwantowych, termodynamiczne wytwarzanie energii elektrycznej), odwadnianie węgla, sztuczny śnieg, dodatki do żywności i inne produkty (np, klej).
Klasyfikacja hydrożeli
Klasyfikacja hydrożeli w zależności od ich struktury fizycznej jest następująca:
- amorficzny (niekrystaliczny)
- półkrystaliczny: Złożona mieszanina faz amorficznych i krystalicznych.
- krystaliczny
Koncentrując się na składzie polimerowym, hydrożele można również podzielić na następujące trzy kategorie:
- hydrożele homopolimerowe
- hydrożele kopolimerowe
- hydrożele multipolimerowe / hydrożele IPN
W oparciu o rodzaj sieciowania, hydrożele dzielą się na:
- Chemicznie usieciowane sieci: trwałe połączenia
- fizycznie usieciowane sieci: połączenia przejściowe
Wygląd fizyczny prowadzi do klasyfikacji na:
- matryca
- film
- mikrosfera
Klasyfikacja oparta na ładunku elektrycznym sieci:
- niejonowy (neutralny)
- jonowe (w tym anionowe lub kationowe)
- elektrolit amfoteryczny (amfolityczny)
- zwitterionowe (polibetainy)
Literatura / Referencje
- Mohammadinezhada, Alireza; Marandi, Gholam Bagheri; Farsadrooh, Majid; Javadian, Hamedreza (2018): Synthesis of poly(acrylamide-co-itaconic acid)/MWCNTs superabsorbent hydrogel nanocomposite by ultrasound-assisted technique: Swelling behavior and Pb (II) adsorption capacity. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 49, 2018. 1-12.
- Cass, Peter; Knower, Warren; Pereeia, Eliana; Holmes, Natalie P.; Hughes Tim (2010): Preparation of hydrogels via ultrasonic polymerization. Ultrasonics Sonochemistry Volume 17, Issue 2, February 2010. 326-332.
- Willfahrt, A., Steiner, E., Hoetzel, J., Crispin, X. (2019): Printable acid-modified corn starch as non-toxic, disposable hydrogel-polymer electrolyte in supercapacitors. Applied Physics A, 125(7), 474.
- Butylina, Svetlana; Geng, Shiyu; Laatikainen, Katri; Oksman, Kristiina (2020): Cellulose Nanocomposite Hydrogels: From Formulation to Material Properties. Frontiers in Chemistry, Vol. 8, 655, 2020.
- Rutgeerts, Laurens A. J.; Soultan, Al Halifa; Subramani, Ramesh; Toprakhisar, Burak; Ramon, Herman; Paderes, Monissa C.; De Borggraeve, Wim M.; Patterson, Jennifer (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chemical Communications Issue 51, 2019.
- Oleyaei, Seyed Amir; Razavi, Seyed Mohammad Ali; Mikkonen, Kirsi S. (2018): Physicochemical and rheo-mechanical properties of titanium dioxide reinforced sage seed gum nanohybrid hydrogel. International Journal of Biological Macromolecules Vol. 118, Part A, 2018. 661-670.