Ultradźwiękowe wytwarzanie kompozytów wzmacnianych
- Kompozyty wykazują wyjątkowe właściwości materiałowe, takie jak znacznie zwiększona stabilność termiczna, moduł sprężystości, wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość na pękanie, dlatego są szeroko stosowane do wytwarzania różnorodnych produktów.
- Udowodniono, że sonikacja umożliwia wytwarzanie wysokiej jakości nanokompozytów z wysoce zdyspergowanymi CNT, grafenem itp.
- Urządzenia ultradźwiękowe do wytwarzania kompozytów wzmacnianych są dostępne w skali przemysłowej.
Nanokompozyty
Nanokompozyty wyróżniają się właściwościami mechanicznymi, elektrycznymi, termicznymi, optycznymi, elektrochemicznymi i/lub katalitycznymi.
Dzięki wyjątkowo wysokiemu stosunkowi powierzchni do objętości fazy wzmacniającej i/lub wyjątkowo wysokiemu stosunkowi wymiarów nanokompozyty wykazują znacznie lepsze właściwości użytkowe niż konwencjonalne kompozyty. Do wzmacniania często stosuje się nanocząstki, takie jak kulista krzemionka, płytki mineralne, takie jak eksfoliowany grafen lub glina, albo nanowłókna, takie jak nanorurki węglowe lub włókna otrzymywane metodą elektroprzędzenia.
Na przykład nanorurki węglowe dodaje się w celu poprawy przewodności elektrycznej i cieplnej, a nanokrzemionkę stosuje się w celu poprawy właściwości mechanicznych, termicznych i odporności na wodę. Inne rodzaje nanocząstek zapewniają lepsze właściwości optyczne, właściwości dielektryczne, odporność na wysoką temperaturę lub właściwości mechaniczne, takie jak sztywność, wytrzymałość oraz odporność na korozję i uszkodzenia.
Przykłady nanokompozytów wytwarzanych ultradźwiękowo:
- nanorurki węglowe (CNT) w osnowie winyloestrowej
- CNT / cebulki węglowe / nanodiamenty w metalicznej osnowie niklowej
- CNT w osnowie ze stopu magnezu
- CNT w osnowie z alkoholu poliwinylowego (PVA)
- wielościenna nanorurka węglowa (MWCNT) w osnowie z żywicy epoksydowej (z zastosowaniem bezwodnika metylotetrahydroftalowego (MTHPA) jako utwardzacza)
- tlenek grafenu w osnowie z alkoholu poliwinylowego (PVA)
- nanocząstki SiC w osnowie magnezowej
- nanokrzemionka (Aerosil) w osnowie polistyrenowej
- magnetyczny tlenek żelaza w elastycznej osnowie poliuretanowej (PU)
- tlenek niklu w graficie/poli(chlorku winylu)
- nanocząstki dwutlenku tytanu w osnowie z poli(kwasu mlekowego-co-glikolowego) (PLGA)
- nanohydroksyapatyt w osnowie z poli(kwasu mlekowego-co-glikolowego) (PLGA)
Dyspergowanie ultradźwiękowe
Parametry procesu ultradźwiękowego można precyzyjnie kontrolować i optymalnie dostosowywać do składu materiału oraz pożądanej jakości produktu końcowego. Dyspergowanie ultradźwiękowe jest zalecaną techniką wprowadzania nanocząstek, takich jak CNT lub grafen, do nanokompozytów. Dyspergowanie ultradźwiękowe i wytwarzanie nanokompozytów to dobrze ugruntowana metoda, od dawna badana naukowo i wdrożona w wielu przemysłowych zakładach produkcyjnych. Wieloletnie doświadczenie firmy Hielscher w ultradźwiękowym przetwarzaniu nanomateriałów zapewnia wszechstronne doradztwo, dobór odpowiedniego układu ultradźwiękowego oraz pomoc podczas opracowywania i optymalizacji procesu.
Nanocząstki wzmacniające są najczęściej dyspergowane w osnowie podczas przetwarzania. Procentowy udział wagowy (ułamek masowy) dodawanego nanomateriału jest niewielki, np. od 0,5% do 5%, ponieważ równomierne rozproszenie uzyskane dzięki sonikacji pozwala ograniczyć ilość wypełniaczy wzmacniających i osiągnąć większą skuteczność wzmocnienia.
Typowym zastosowaniem ultradźwięków w produkcji jest wytwarzanie kompozytu nanocząstki–żywica. Aby uzyskać winyloester wzmacniany CNT, stosuje się sonikację do dyspergowania i funkcjonalizacji CNT. Te kompozyty CNT–winyloester charakteryzują się lepszymi właściwościami elektrycznymi i mechanicznymi.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o dyspergowaniu CNT!
Nanocząstka funkcjonalizowana ultradźwiękowo
Urządzenie ultradźwiękowe UIP1500hd z reaktorem przepływowym
Grafen
Grafen oferuje wyjątkowe właściwości fizyczne, wysoki stosunek wymiarów i niską gęstość. Grafen i tlenek grafenu wprowadza się do osnowy kompozytowej w celu uzyskania lekkich polimerów o wysokiej wytrzymałości. Aby uzyskać wzmocnienie mechaniczne, arkusze / płytki grafenu muszą być bardzo drobno zdyspergowane, ponieważ zaglomerowane arkusze grafenu drastycznie ograniczają efekt wzmacniający.
Badania naukowe wykazały, że stopień poprawy zależy przede wszystkim od stopnia zdyspergowania arkuszy grafenu w osnowie. Tylko jednorodnie zdyspergowany grafen daje pożądane efekty. Ze względu na silną hydrofobowość i przyciąganie van der Waalsa grafen ma tendencję do agregacji i aglomeracji w płatki złożone ze słabo oddziałujących ze sobą jednowarstwowych arkuszy.
Podczas gdy powszechnie stosowane techniki dyspergowania często nie pozwalają uzyskać jednorodnych dyspersji grafenu bez jego uszkodzenia, sonikatory o dużej mocy wytwarzają wysokiej jakości dyspersje grafenu. Sonikatory firmy Hielscher bez problemu przetwarzają grafen niemodyfikowany, tlenek grafenu i zredukowany tlenek grafenu przy stężeniach od niskich do wysokich oraz objętościach od małych do dużych. Powszechnie stosowanym rozpuszczalnikiem jest N-metylo-2-pirolidon (NMP), ale dzięki ultradźwiękom o dużej mocy grafen można dyspergować nawet w słabych rozpuszczalnikach o niskiej temperaturze wrzenia, takich jak aceton, chloroform, IPA i cykloheksanon.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o eksfoliacji grafenu na dużą skalę!
Nanorurki węglowe i inne nanomateriały
Udowodniono, że ultradźwięki o dużej mocy umożliwiają uzyskanie drobnocząstkowych dyspersji różnych nanomateriałów, w tym nanorurek węglowych (CNT), SWNT, MWNT, fulerenów, krzemionki (SiO2), dwutlenku tytanu (TiO2), srebra (Ag), tlenku cynku (ZnO), celulozy nanofibrylowanej i wielu innych. Ogólnie rzecz biorąc, sonikacja przewyższa konwencjonalne urządzenia dyspergujące i może zapewniać wyjątkowe wyniki.
Oprócz mielenia i dyspergowania nanocząstek doskonałe wyniki uzyskuje się także przez syntezę nanocząstek metodą wytrącania ultradźwiękowego (synteza oddolna). Zaobserwowano, że wielkość cząstek, np. magnetytu, molibdenianu sodowo-cynkowego i innych materiałów syntetyzowanych ultradźwiękowo, jest mniejsza niż w przypadku metody konwencjonalnej. Mniejszą wielkość przypisuje się zwiększonej szybkości zarodkowania i lepszemu mieszaniu dzięki ścinaniu i turbulencjom wytwarzanym przez kawitację ultradźwiękową.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowym wytrącaniu metodą oddolną!
Ultradźwiękowa funkcjonalizacja cząstek
Powierzchnia właściwa cząstki wzrasta wraz ze zmniejszaniem jej wielkości. Szczególnie w nanotechnologii zwiększona powierzchnia cząstki znacznie nasila przejawianie się właściwości materiału. Powierzchnię można zwiększać i modyfikować ultradźwiękowo przez przyłączanie odpowiednich cząsteczek funkcyjnych do powierzchni cząstki. W zastosowaniu i wykorzystaniu nanomateriałów właściwości powierzchni są równie ważne jak właściwości rdzenia cząstki.
Cząstki funkcjonalizowane ultradźwiękowo są szeroko stosowane w polimerach, kompozytach i biokompozytach, nanopłynach, zmontowanych urządzeniach, nanolekach itp. Funkcjonalizacja cząstek radykalnie poprawia takie właściwości jak stabilność, wytrzymałość i sztywność, rozpuszczalność, polidyspersyjność, fluorescencja, magnetyzm, superparamagnetyzm, absorpcja optyczna, wysoka gęstość elektronowa, fotoluminescencja itp.
Do powszechnie spotykanych cząstek funkcjonalizowanych komercyjnie za pomocą systemów ultradźwiękowych firmy Hielscher należą CNT, SWNT, MWNT, grafen, grafit, krzemionka (SiO2), nanodiamenty, magnetyt (tlenek żelaza, Fe3O4), nanocząstki srebra, nanocząstki złota, nanocząstki porowate i mezoporowate itp.
Kliknij tutaj, aby zobaczyć wybrane noty aplikacyjne dotyczące ultradźwiękowej obróbki cząstek!
Ultradźwiękowe urządzenia dyspergujące
Urządzenia firmy Hielscher do dyspergowania ultradźwiękowego są dostępne do zastosowań laboratoryjnych, pracy na stole laboratoryjnym i produkcji przemysłowej. Sonikatory firmy Hielscher są niezawodne, wytrzymałe oraz łatwe w obsłudze i czyszczeniu. Urządzenia zaprojektowano do pracy 24/7 w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Systemy ultradźwiękowe można stosować do przetwarzania wsadowego i w linii – są elastyczne i łatwo dostosowują się do procesu oraz wymagań użytkownika.
Możliwości ultradźwiękowego przetwarzania wsadowego i w linii
| Objętość wsadu | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| 5 do 200mL | 50 do 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 do 2L | 0,25 do 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 do 10L | 1 do 8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 do 30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | powyżej 30m3/hr | zespół urządzeń UIP10000 lub UIP16000 |
Laboratoryjne urządzenie ultradźwiękowe do funkcjonalizacji cząstek
Literatura / źródła
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): „Badanie skuteczności hamowania korozji przez nanopigment molibdenianu sodowo-cynkowego przygotowany ultradźwiękowo w dwuskładnikowej powłoce epoksydowo-poliamidowej. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833–852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Wytwarzanie nowych magnetycznych nanokompozytów z pianki poliuretanowej z wykorzystaniem nanocząstek typu rdzeń–powłoka. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Wytwarzanie materiału kompozytowego tlenek grafenu–polistyren. 3. Międzynarodowa Konferencja na temat Środowiska, Chemii i Biologii. IPCBEE vol.78, 2014.
Warto wiedzieć
O materiałach kompozytowych
Materiały kompozytowe (znane również jako materiały złożone) opisuje się jako materiały wykonane z dwóch lub większej liczby składników, które charakteryzują się znacznie różniącymi się właściwościami fizycznymi lub chemicznymi. Po połączeniu tych materiałów składowych powstaje nowy materiał – tak zwany kompozyt – który wykazuje właściwości odmienne od właściwości poszczególnych składników. Poszczególne składniki pozostają odrębne i rozróżnialne w gotowej strukturze.
Nowy materiał ma lepsze właściwości, np. jest mocniejszy, lżejszy, bardziej odporny lub tańszy w porównaniu z materiałami konwencjonalnymi. Udoskonalenia nanokompozytów obejmują właściwości mechaniczne, elektryczne / przewodzące, termiczne, optyczne, elektrochemiczne i katalityczne.
Typowe projektowane materiały kompozytowe obejmują:
- biokompozyty
- wzmacniane tworzywa sztuczne, takie jak polimer wzmacniany włóknami
- kompozyty metalowe
- kompozyty ceramiczne (kompozyty o osnowie ceramicznej i metalowej)
Materiały kompozytowe są na ogół stosowane jako materiały budowlane i konstrukcyjne do wytwarzania takich elementów jak kadłuby łodzi, blaty, nadwozia samochodowe, wanny, zbiorniki magazynowe, imitacje granitu i umywalki z syntetycznego marmuru, a także w statkach kosmicznych i samolotach.
W kompozytach można również stosować włókna metalowe wzmacniające inne metale, jak w kompozytach o osnowie metalowej (MMC) lub kompozytach o osnowie ceramicznej (CMC), do których zalicza się kość (hydroksyapatyt wzmacniany włóknami kolagenowymi), cermet (ceramika i metal) oraz beton.
Kompozyty o osnowie organicznej z kruszywem ceramicznym obejmują beton asfaltowy, beton polimerowy, asfalt lany, mastic roller hybrid, kompozyt stomatologiczny, piankę syntaktyczną i masę perłową.
O oddziaływaniu ultradźwięków na cząstki
Właściwości cząstek można zaobserwować, gdy ich wielkość zostanie zmniejszona do określonego poziomu (zwanego wielkością krytyczną). Gdy wymiary cząstek osiągają poziom nanometrowy, oddziaływania na granicach faz ulegają znacznej poprawie, co ma kluczowe znaczenie dla poprawy właściwości materiałów. Z tego względu stosunek powierzchni do objętości materiałów stosowanych do wzmacniania nanokompozytów ma największe znaczenie. Nanokompozyty oferują korzyści technologiczne i ekonomiczne dla niemal wszystkich sektorów przemysłu, w tym lotniczego i kosmicznego, motoryzacyjnego, elektronicznego, biotechnologicznego, farmaceutycznego i medycznego. Kolejną dużą zaletą jest ich przyjazność dla środowiska.
Ultradźwięki o dużej mocy poprawiają zwilżalność i homogenizację między osnową a cząstkami dzięki intensywnemu mieszaniu i dyspergowaniu – wywoływanym przez kawitację ultradźwiękową. Ponieważ sonikacja jest najczęściej stosowaną i najskuteczniejszą metodą dyspergowania nanomateriałów, systemy ultradźwiękowe firmy Hielscher są instalowane w laboratoriach, instalacjach pilotażowych i zakładach produkcyjnych na całym świecie.