Ultradźwiękowy preparat wzmocnionych kompozytów
- Kompozyty wykazują unikalne właściwości materiałowe, takie jak znacznie zwiększona stabilność termiczna, moduł sprężystości, wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na pękanie i dlatego są szeroko stosowane w produkcji rozdzielaczy.
- Udowodniono, że sonikacja pozwala wytwarzać wysokiej jakości nanokompozyty z wysoce zdyspergowanymi CNT, grafenem itp.
- Sprzęt ultradźwiękowy do formułowania wzmocnionych kompozytów jest dostępny na skalę przemysłową.
nanokompozyty
Nanokompozyty wyróżniają się właściwościami mechanicznymi, elektrycznymi, termicznymi, optycznymi, elektrochemicznymi i/lub katalitycznymi.
Ze względu na wyjątkowo wysoki stosunek powierzchni do objętości fazy wzmacniającej i/lub wyjątkowo wysoki współczynnik kształtu, nanokompozyty są znacznie bardziej wydajne niż konwencjonalne kompozyty. Nanocząstki, takie jak sferyczna krzemionka, arkusze mineralne, takie jak złuszczony grafen lub glina, lub nanowłókna, takie jak nanorurki węglowe lub włókna elektroprzędzione, są często stosowane do wzmacniania.
Na przykład nanorurki węglowe są dodawane w celu poprawy przewodności elektrycznej i cieplnej, a nanokrzemionka jest stosowana w celu poprawy właściwości mechanicznych, termicznych i wodoodporności. Inne rodzaje nanocząstek zapewniają lepsze właściwości optyczne, dielektryczne, odporność na ciepło lub właściwości mechaniczne, takie jak sztywność, wytrzymałość i odporność na korozję i uszkodzenia.
Przykłady nanokompozytów formowanych ultradźwiękowo:
- nanorurki węglowe (CNT) w matrycy z estru winylowego
- CNT / cebula węglowa / nanodiamenty w niklowo-metalowej matrycy
- CNT w matrycy ze stopu magnezu
- CNT w matrycy z polialkoholu winylowego (PVA)
- wielościenne nanorurki węglowe (MWCNT) w matrycy z żywicy epoksydowej (z użyciem bezwodnika metylotetrahydroftalowego (MTHPA) jako czynnika utwardzającego)
- Tlenek grafenu w matrycy z poli(alkoholu winylowego) (PVA)
- Nanocząstki SiC w matrycy magnezowej
- nanokrzemionka (Aerosil) w matrycy polistyrenowej
- magnetyczny tlenek żelaza w elastycznej matrycy poliuretanowej (PU)
- tlenek niklu w układzie grafit/poli(chlorek winylu)
- Nanocząstki tytanu w matrycy z kwasu polimlekowego i glikolowego (PLGA)
- nanohydroksyapatyt w matrycy z kwasu polimlekowego i glikolowego (PLGA)
Dyspersja ultradźwiękowa
Parametry procesu ultradźwiękowego mogą być dokładnie kontrolowane i optymalnie dostosowane do składu materiału i pożądanej jakości wyjściowej. Dyspersja ultradźwiękowa jest zalecaną techniką włączania nanocząstek, takich jak CNT lub grafen, do nanokompozytów. Od dawna testowana na poziomie naukowym i wdrażana w wielu przemysłowych zakładach produkcyjnych, dyspersja ultradźwiękowa i formułowanie nanokompozytów jest dobrze ugruntowaną metodą. Wieloletnie doświadczenie firmy Hielscher w obróbce ultradźwiękowej nanomateriałów zapewnia dogłębne doradztwo, zalecenie odpowiedniej konfiguracji ultradźwiękowej oraz pomoc podczas opracowywania i optymalizacji procesu.
W większości przypadków wzmacniające nanocząstki są rozpraszane w matrycy podczas przetwarzania. Procent wagowy (ułamek masowy) dodanego nanomateriału mieści się w dolnej skali, np. od 0,5% do 5%, ponieważ jednolita dyspersja uzyskana dzięki sonikacji pozwala zaoszczędzić wypełniacze wzmacniające i uzyskać wyższą wydajność wzmocnienia.
Typowym zastosowaniem ultradźwięków w produkcji jest formułowanie kompozytu nanocząstek żywicy. Aby wytworzyć ester winylowy wzmocniony CNT, sonikację stosuje się do dyspergowania i funkcjonalizacji CNT. Te CNT-estry winylowe charakteryzują się lepszymi właściwościami elektrycznymi i mechanicznymi.
Kliknij tutaj, aby przeczytać więcej o dyspersji CNT!
Ultradźwiękowo sfunkcjonalizowane nanocząstki
Urządzenie ultradźwiękowe UIP1500hd z reaktorem przepływowym
grafen
Grafen oferuje wyjątkowe właściwości fizyczne, wysoki współczynnik kształtu i niską gęstość. Grafen i tlenek grafenu są zintegrowane z matrycą kompozytową w celu uzyskania lekkich polimerów o wysokiej wytrzymałości. Aby uzyskać wzmocnienie mechaniczne, arkusze / płytki grafenu muszą być bardzo drobno rozproszone, ponieważ aglomerowane arkusze grafenu drastycznie ograniczają efekt wzmocnienia.
Badania naukowe wykazały, że skala poprawy zależy głównie od stopnia rozproszenia arkuszy grafenu w matrycy. Tylko jednorodnie rozproszony grafen daje pożądane efekty. Ze względu na silną hydrofobowość i przyciąganie van der Waalsa, grafen jest podatny na agregację i aglomerację w płatki słabo oddziałujących jednowarstwowych arkuszy.
Podczas gdy powszechne techniki dyspersji często nie są w stanie wytworzyć jednorodnych, nieuszkodzonych dyspersji grafenu, ultradźwięki o dużej mocy wytwarzają wysokiej jakości dyspersje grafenu. Ultradźwięki firmy Hielscher obsługują czysty grafen, tlenek grafenu i zredukowany tlenek grafenu od niskiego do wysokiego stężenia i od małych do dużych objętości. Powszechnie stosowanym rozpuszczalnikiem jest N-metylo-2-pirolidon (NMP), ale przy dużej mocy ultradźwięków grafen może być nawet rozproszony w słabych rozpuszczalnikach o niskiej temperaturze wrzenia, takich jak aceton, chloroform, IPA i cykloheksanon.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o masowym złuszczaniu grafenu!
Nanorurki węglowe i inne nanomateriały
Udowodniono, że ultradźwięki energetyczne powodują dyspersje drobnych rozmiarów różnych nanomateriałów, w tym nanorurek węglowych (CNT), SWNT, MWNT, fulerenów, krzemionki (SiO2), dwutlenek tytanu (TiO2), srebro (Ag), tlenek cynku (ZnO), nanofibrylowana celuloza i wiele innych. Ogólnie rzecz biorąc, sonikacja przewyższa konwencjonalne dyspergatory i może osiągnąć wyjątkowe rezultaty.
Oprócz mielenia i dyspergowania nanocząstek, doskonałe wyniki uzyskuje się poprzez syntezę nanocząstek za pomocą wytrącania ultradźwiękowego (synteza oddolna). Zaobserwowano, że wielkość cząstek, np. ultradźwiękowo syntetyzowanego magnetytu, molibdenianu cynku sodu i innych, jest mniejsza w porównaniu z uzyskaną metodą konwencjonalną. Niższy rozmiar przypisuje się zwiększonej szybkości zarodkowania i lepszym wzorcom mieszania ze względu na ścinanie i turbulencje generowane przez kawitację ultradźwiękową.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowym strącaniu oddolnym!
Ultradźwiękowa funkcjonalizacja cząstek
Powierzchnia właściwa cząstki wzrasta wraz ze zmniejszeniem jej rozmiaru. Szczególnie w nanotechnologii, ekspresja właściwości materiału jest znacznie zwiększona przez powiększoną powierzchnię cząstki. Powierzchnia może być ultradźwiękowo zwiększona i zmodyfikowana poprzez przyłączenie odpowiednich cząsteczek funkcjonalnych na powierzchni cząstek. Jeśli chodzi o zastosowanie i wykorzystanie nanomateriałów, właściwości powierzchni są równie ważne jak właściwości rdzenia cząstek.
Ultradźwiękowo funkcjonalizowane cząstki są szeroko stosowane w polimerach, kompozytach & biokompozyty, nanofluidy, montowane urządzenia, nanomedycyny itp. Dzięki funkcjonalizacji cząstek, właściwości takie jak stabilność, wytrzymałość & Sztywność, rozpuszczalność, polidyspersyjność, fluorescencja, magnetyzm, superparamagnetyzm, absorpcja optyczna, wysoka gęstość elektronowa, fotoluminiscencja itp. są drastycznie poprawione.
Typowe cząstki, które są komercyjnie funkcjonalizowane za pomocą Hielschera’ Systemy ultradźwiękowe obejmują CNT, SWNT, MWNT, grafen, grafit, krzemionkę (SiO2), nanodiamenty, magnetyt (tlenek żelaza, Fe3O4), nanocząstki srebra, nanocząstki złota, porowate & mezoporowate nanocząstki itp.
Kliknij tutaj, aby zobaczyć wybrane uwagi dotyczące zastosowań ultradźwiękowej obróbki cząstek!
dyspergatory ultradźwiękowe
Sprzęt do dyspergowania ultradźwiękowego firmy Hielscher jest dostępny do produkcji laboratoryjnej, stołowej i przemysłowej. Ultradźwięki firmy Hielscher są niezawodne, wytrzymałe, łatwe w obsłudze i czyszczeniu. Sprzęt jest przeznaczony do pracy w trybie 24/7 w ciężkich warunkach. Systemy ultradźwiękowe mogą być używane do przetwarzania wsadowego i liniowego – elastyczny i łatwy do dostosowania do procesu i wymagań użytkownika.
Ultradźwiękowe pojemności wsadowe i liniowe
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 5 do 200 ml | 50 do 500 ml/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 do 2L | 0.25 do 2 m3/godz. | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 do 10L | 1 do 8 m3/godz. | UIP4000 |
| b.d. | 4 do 30 m3/godz. | UIP16000 |
| b.d. | powyżej 30 m3/godz. | klaster UIP10000 lub UIP16000 |
Ultradźwiękowe urządzenie laboratoryjne do funkcjonalizacji cząstek
Literatura/Referencje
- Kapole, S.A.; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Badanie skuteczności antykorozyjnej ultradźwiękowo przygotowanego nanopigmentu molibdenianu sodowo-cynkowego w dwuskładnikowej powłoce epoksydowo-poliamidowej. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Przygotowanie nowych magnetycznych nanokompozytów pianki poliuretanowej przy użyciu nanocząstek typu core-shell. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide-Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.
Fakty, które warto znać
Informacje o materiałach kompozytowych
Materiały kompozytowe (znane również jako materiały kompozytowe) są opisywane jako materiały wykonane z dwóch lub więcej składników, które charakteryzują się znacznie różnymi właściwościami fizycznymi lub chemicznymi. Po połączeniu tych materiałów składowych powstaje nowy materiał. – tak zwany kompozyt – który wykazuje inne właściwości niż poszczególne komponenty. Poszczególne komponenty pozostają oddzielne i odrębne w gotowej strukturze.
Nowy materiał ma lepsze właściwości, np. jest mocniejszy, lżejszy, bardziej odporny lub tańszy w porównaniu z konwencjonalnymi materiałami. Udoskonalenia nanokompozytów obejmują właściwości mechaniczne, elektryczne / przewodzące, termiczne, optyczne, elektrochemiczne i katalityczne.
Typowe materiały kompozytowe obejmują
- biokompozyty
- wzmocnione tworzywa sztuczne, takie jak polimery wzmocnione włóknami
- kompozyty metalowe
- kompozyty ceramiczne (kompozyty na osnowie ceramicznej i metalowej)
Materiały kompozytowe są powszechnie stosowane do budowy i strukturyzacji materiałów, takich jak kadłuby łodzi, blaty, karoserie samochodowe, wanny, zbiorniki magazynowe, imitacje granitu i zlewozmywaki z marmuru hodowlanego, a także w statkach kosmicznych i samolotach.
Kompozyty mogą również wykorzystywać włókna metalowe wzmacniające inne metale, tak jak w kompozytach z osnową metalową (MMC) lub kompozytach z osnową ceramiczną (CMC), które obejmują kość (hydroksyapatyt wzmocniony włóknami kolagenowymi), cermetal (ceramika i metal) i beton.
Kompozyty z matrycą organiczną i kruszywem ceramicznym obejmują asfaltobeton, polimerobeton, mastyks asfaltowy, hybrydowy mastyks rolkowy, kompozyt dentystyczny, piankę syntaktyczną i masę perłową.
Wpływ ultradźwięków na cząsteczki
Właściwości cząstek można zaobserwować po zmniejszeniu ich rozmiaru do określonego poziomu (znanego jako rozmiar krytyczny). Gdy wymiary cząstek osiągają poziom nanometrów, interakcje na granicy faz ulegają znacznej poprawie, co ma kluczowe znaczenie dla poprawy właściwości materiałów. W związku z tym stosunek powierzchni do objętości materiałów, które są wykorzystywane do wzmocnienia w nanokompozytach, jest najbardziej istotny. Nanokompozyty oferują korzyści technologiczne i ekonomiczne dla prawie wszystkich sektorów przemysłu, w tym lotniczego, motoryzacyjnego, elektronicznego, biotechnologicznego, farmaceutycznego i medycznego. Kolejną dużą zaletą jest ich przyjazność dla środowiska.
Ultradźwięki mocy poprawiają zwilżalność i homogenizację między matrycą a cząstkami dzięki intensywnemu mieszaniu i rozpraszaniu – generowany przez Kawitacja ultradźwiękowa. Ponieważ sonikacja jest najczęściej stosowaną i najbardziej skuteczną metodą dyspersji, jeśli chodzi o nanomateriały, systemy ultradźwiękowe firmy Hielscher są instalowane w laboratoriach, zakładach pilotażowych i produkcyjnych na całym świecie.