Ultradźwiękowe przygotowanie wzmocnionej gumy
- Wzmocnione gumy wykazują wyższą wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie, odporność na ścieranie i lepszą stabilność starzenia.
- Wypełniacze takie jak sadza (np. CNT, MWNT), grafen lub krzemionka muszą być jednorodnie rozproszone w matrycy, aby zapewnić pożądane właściwości materiału.
- Ultradźwięki mocy zapewniają doskonałą jakość dystrybucji monodyspersyjnych nanocząstek o wysoce wzmacniających właściwościach.
Dyspersja ultradźwiękowa
Ultradźwięki są szeroko stosowane do dyspergowania nanomateriałów, takich jak monodyspersyjne nanocząstki i nanorurki, ponieważ ultradźwięki znacznie zwiększają separację i funkcjonalizację cząstek i rurek.
Ultradźwiękowy sprzęt dyspergujący tworzy kawitacja i wysokie siły ścinające w celu rozbicia, deaglomeracji, rozplątania i rozproszenia nanocząstek i nanorurek. Intensywność sonikacji można precyzyjnie regulować i kontrolować, tak aby parametry przetwarzania ultradźwiękowego były idealnie dostosowane, biorąc pod uwagę stężenie, aglomerację i wyrównanie / splątanie nanomateriału. W ten sposób nanomateriały mogą być optymalnie przetwarzane pod kątem ich specyficznych wymagań materiałowych. Optymalne warunki dyspersji dzięki indywidualnie dostosowanym parametrom procesu ultradźwiękowego skutkują wysokiej jakości końcowym nanokompozytem gumowym o doskonałych właściwościach wzmacniających nanododatki i wypełniacze.
Ze względu na doskonałą jakość dyspersji ultradźwiękowej i uzyskaną w ten sposób jednolitą dyspersję, bardzo niskie obciążenie wypełniaczem jest wystarczające do uzyskania doskonałych właściwości materiału.
przemysłowy system ultradźwiękowy
Guma wzmocniona ultradźwiękowo węglem w kolorze czarnym
Sadza jest jednym z najważniejszych wypełniaczy w gumach, zwłaszcza w oponach, nadając materiałowi gumowemu odporność na ścieranie i wytrzymałość na rozciąganie. Cząsteczki sadzy są bardzo podatne na tworzenie agregatów, które są trudne do jednorodnego rozproszenia. Sadza jest powszechnie stosowana w farbach, emaliach, tuszach drukarskich, barwnikach nylonowych i plastikowych, mieszankach lateksowych, mieszankach woskowych, powłokach fotograficznych i innych.
Dyspersja ultradźwiękowa pozwala na deaglomerację i równomierne mieszanie z bardzo wysoką monodyspersyjnością cząstek.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o dyspersji ultradźwiękowej dla wzmocnionych kompozytów!
Guma wzmocniona ultradźwiękami CNT/MWCNT
Homogenizatory ultradźwiękowe są potężnymi systemami dyspergującymi, które mogą być precyzyjnie kontrolowane i dostosowywane do wymagań procesu i materiału. Precyzyjna kontrola parametrów procesu ultradźwiękowego jest szczególnie ważna w przypadku dyspergowania nanorurek, takich jak MWNT lub SWNT, ponieważ nanorurki muszą być rozłączone na pojedyncze rurki bez uszkodzenia (np. rozszczepienia). Nieuszkodzone nanorurki oferują wysoki współczynnik kształtu (do 132 000 000:1), dzięki czemu zapewniają wyjątkową wytrzymałość i sztywność po utworzeniu kompozytu. Potężna, precyzyjnie dostosowana sonikacja przezwycięża siły Van der Waalsa i rozprasza oraz rozłącza nanorurki, dając w rezultacie wysokowydajny materiał gumowy o wyjątkowej wytrzymałości na rozciąganie i module sprężystości.
Ponadto, funkcjonalizacja ultradźwiękowa służy do modyfikacji nanorurek węglowych w celu uzyskania pożądanych właściwości, które można wykorzystać w różnorodnych zastosowaniach.
Ultradźwięki do ciągłej dyspersji nanomateriałów, sadzy lub węgla aktywnego.
Guma wzmocniona nanokrzemionką ultradźwiękową
Dyspergatory ultradźwiękowe zapewniają wysoce jednorodny rozkład cząstek krzemionki (SiO2) w roztworach polimerów gumowych. Krzemionka (SiO2) muszą być jednorodnie rozmieszczone jako cząstki monodyspersyjne w spolimeryzowanym styreno-butadienie i innych kauczukach. Monodyspersyjne nano-SiO2 działa jako środek wzmacniający, który znacznie poprawia wytrzymałość, wytrzymałość, wydłużenie, zginanie i działanie przeciwstarzeniowe. Dotyczy to nanocząstek: Im mniejszy rozmiar cząstek, tym większa ich powierzchnia właściwa. Przy wyższym stosunku powierzchni do objętości (S/V) uzyskuje się lepsze efekty strukturalne i wzmacniające, co zwiększa wytrzymałość na rozciąganie i twardość produktów gumowych.
Ultradźwiękowa dyspersja nanocząstek krzemionki pozwala dokładnie kontrolować parametry procesu, dzięki czemu uzyskuje się sferyczną morfologię, precyzyjnie dostosowaną wielkość cząstek i bardzo wąski rozkład wielkości.
Ultradźwiękowo zdyspergowana krzemionka zapewnia najwyższą wydajność materiałową wzmocnionej w ten sposób gumy.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowym rozpraszaniu SiO2!
Dyspersja ultradźwiękowa dodatków wzmacniających
Udowodniono, że sonikacja rozprasza wiele innych materiałów nanocząsteczkowych w celu poprawy modułu, wytrzymałości na rozciąganie i właściwości zmęczeniowych kompozytów gumowych. Ponieważ wielkość cząstek, kształt, pole powierzchni i aktywność powierzchniowa wypełniaczy i dodatków wzmacniających mają kluczowe znaczenie dla ich wydajności, wydajne i niezawodne dyspergatory ultradźwiękowe są jedną z najczęściej stosowanych metod formułowania mikro- i nanocząstek w produktach gumowych.
Typowymi dodatkami i wypełniaczami, które są wprowadzane przez sonikację jako równomiernie rozmieszczone lub monodyspersyjne cząstki w matrycach gumowych, są węglan wapnia, glinka kaolinowa, zmatowiona krzemionka, strącona krzemionka, tlenek grafitu, grafen, mika, talk, baryt, wollastonit, strącone krzemiany, zmatowiona krzemionka i ziemia okrzemkowa.
Gdy TiO2 są ultradźwiękowo zdyspergowane w kauczuku butadienowo-styrenowym, nawet bardzo mała ilość olein-SiO2 powoduje znaczną poprawę modułu, wytrzymałości na rozciąganie i właściwości zmęczeniowych oraz działa jako środek ochronny przed foto- i termodegradacją.
- Trójwodzian tlenku glinu (Al2O3) jest dodawany jako środek zmniejszający palność, w celu poprawy przewodności cieplnej oraz odporności na śledzenie i erozję.
- Wypełniacze z tlenku cynku (ZnO) zwiększają względną przenikalność elektryczną oraz przewodność cieplną.
- Dwutlenek tytanu (TiO2) poprawia przewodność cieplną i elektryczną.
- Węglan wapnia (CaCO3) jest stosowany jako dodatek ze względu na swoje właściwości mechaniczne, reologiczne i zmniejszające palność.
- Tytanian baru (BaTiO3) zwiększa stabilność termiczną.
- grafen i tlenek grafenu (GO) zapewniają doskonałe właściwości mechaniczne, elektryczne, termiczne i optyczne.
- nanorurki węglowe (CNT) znacznie poprawiają właściwości mechaniczne, takie jak wytrzymałość na rozciąganie, przewodność elektryczną i cieplną.
- Wielościenne nanorurki węglowe (MWNT) poprawiają moduł Younga i granicę plastyczności. Na przykład, zaledwie 1% wagowy MWNT w żywicy epoksydowej powoduje wzrost modułu Younga i granicy plastyczności odpowiednio o 100% i 200% w porównaniu do czystej matrycy.
- Jednościenne nanorurki węglowe (SWNT) poprawiają właściwości mechaniczne i przewodność cieplną.
- Nanowłókna węglowe (CNF) zwiększają wytrzymałość, odporność na ciepło i trwałość.
- Nanocząstki metaliczne, takie jak nikiel, żelazo, miedź, cynk, aluminium i inne. Srebro są dodawane w celu poprawy przewodności elektrycznej i cieplnej.
- Nanomateriały organiczne, takie jak montmorylonit poprawić właściwości mechaniczne i zmniejszające palność.
Ultradźwiękowe systemy dyspersyjne
Hielscher Ultrasonics oferuje szeroką gamę urządzeń ultradźwiękowych – Od mniejszych systemów stacjonarnych do testów wykonalności po systemy do dużych obciążeń. przemysłowe urządzenia ultradźwiękowe z maksymalnie 16 kW na jednostkę. Moc, niezawodność, precyzyjne sterowanie, a także ich wytrzymałość sprawiają, że ultradźwiękowe systemy dyspergujące firmy Hielscher są najlepszym wyborem. “koń roboczy” w linii produkcyjnej preparatów mikro- i nanocząsteczkowych. Nasze ultradźwięki są zdolne do przetwarzania wodnych i rozpuszczalnikowych dyspersji do wysoka lepkość (do 10 000cp) łatwo. Różne sonotrody (rogi ultradźwiękowe), wzmacniacze (wzmacniacz / zmniejszacz), geometrie komórek przepływowych i inne akcesoria pozwalają na optymalne dostosowanie dyspergatora ultradźwiękowego do produktu i jego wymagań procesowych.
Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na 24/7 operacja w duże obciążenie i w wymagających środowiskach. Dyspergatory ultradźwiękowe Hielscher są instalowane na całym świecie do produkcji komercyjnej na dużą skalę.
Indywidualna konfiguracja ultradźwiękowa dla nanodyspersji
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Literatura / Referencje
- Bitenieks, Juris; Meria, Remo Merijs; Zicans, Janis; Maksimovs, Roberts; Vasilec, Cornelia; Musteata, Valentina Elena (2012): Styrene–acrylate/carbon nanotube nanocomposites: mechanical, thermal, and electrical properties. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 2012, 61, 3, 172–177.
- Kaboorani, Alireza; Riedl, Bernard; Blanchet, Pierre (2013): Ultrasonication Technique: A Method for Dispersing Nanoclay in Wood Adhesives. Journal of Nanomaterials 2013.
- Momen, G.; Farzaneh, M. (2011): Survey of Micro/Nano Filler Use to improve Silicone Rubber For Outdoor Insulators. Review of Advanced Materials Science 27, 2011. 1-3.
- Sharma, S.D.; Singh, S. (2013): Synthesis and Characterization of Highly Effective Nano Sulfated Zirconia over Silica: Core-Shell Catalyst by Ultrasonic Irradiation. American Journal of Chemistry 2013, 3(4): 96-104.
Fakty, które warto znać
kauczuk syntetyczny
Kauczuk syntetyczny to dowolny sztuczny elastomer. Kauczuki syntetyczne są głównie polimerami syntetyzowanymi z produktów ubocznych ropy naftowej i są wytwarzane, podobnie jak inne polimery, z różnych monomerów na bazie ropy naftowej. Najbardziej rozpowszechnionym kauczukiem syntetycznym jest kauczuk styrenowo-butadienowy (SBR) pochodzący z kopolimeryzacji styrenu i 1,3-butadienu. Inne kauczuki syntetyczne są przygotowywane z izoprenu (2-metylo-1,3-butadienu), chloroprenu (2-chloro-1,3-butadienu) i izobutylenu (metylopropenu) z niewielkim procentem izoprenu do sieciowania. Te i inne monomery mogą być mieszane w różnych proporcjach w celu kopolimeryzacji w celu wytworzenia produktów o różnych właściwościach fizycznych, mechanicznych i chemicznych. Monomery mogą być produkowane w postaci czystej, a dodawanie zanieczyszczeń lub dodatków może być kontrolowane w celu uzyskania optymalnych właściwości. Polimeryzacja czystych monomerów może być lepiej kontrolowana w celu uzyskania pożądanej proporcji podwójnych wiązań cis i trans.
Kauczuk syntetyczny, podobnie jak kauczuk naturalny, jest szeroko stosowany w przemyśle motoryzacyjnym do produkcji opon, profili drzwiowych i okiennych, węży, pasów, mat i podłóg.
kauczuk naturalny
Kauczuk naturalny jest również znany jako kauczuk indyjski lub kauczuk. Kauczuk naturalny jest klasyfikowany jako elastomer i składa się głównie z polimerów związku organicznego poli-cis-izoprenu i wody. Zawiera śladowe ilości zanieczyszczeń, takich jak białko, brud itp. Kauczuk naturalny, który jest pozyskiwany jako lateks z drzewa kauczukowego Hevea Brasiliensiswykazuje doskonałe właściwości mechaniczne. Jednak w porównaniu z kauczukami syntetycznymi, kauczuk naturalny ma niższą wydajność materiałową, szczególnie w odniesieniu do jego stabilności termicznej i kompatybilności z produktami ropopochodnymi. Kauczuk naturalny ma szeroki zakres zastosowań, zarówno samodzielnie, jak i w połączeniu z innymi materiałami. Najczęściej wykorzystywana jest ze względu na duży współczynnik rozciągliwości, wysoką sprężystość i wyjątkowo wysoką wodoszczelność. Temperatura topnienia kauczuku wynosi około 180°C (356°F).
Poniższa tabela zawiera przegląd różnych rodzajów gumy:
| ISO | Nazwa techniczna | Nazwa zwyczajowa |
|---|---|---|
| ACM | Guma poliakrylanowa | |
| AEM | Kauczuk etylenowo-akrylowy | |
| Au | Poliester uretanowy | |
| BIIR | Bromo Izobutylen Izopren | Bromobutyl |
| BR | Polibutadien | Buna CB |
| CIIR | Chloroizobutylen Izopren | Chlorobutyl, butyl |
| CR | Polichloropren | Chloropren, neopren |
| CSM | Chlorosulfonowany polietylen | Hypalon |
| ECO | Epichlorohydryna | ECO, Epichlorohydryna, Epichlore, Epichloridrine, Herclor, Hydrin |
| EP | Etylen Propylen | |
| EPDM | Monomer etylenowo-propylenowo-dienowy | EPDM, Nordel |
| UE | Polieterouretan | |
| FFKM | Kauczuk perfluorowęglowy | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Fluorowany węglowodór | Viton, Fluorel |
| FMQ | Silikon fluorowy | FMQ, guma silikonowa |
| FPM | Kauczuk fluorowy | |
| HNBR | Uwodorniony butadien nitrylowy | HNBR |
| IR | Poliizopren | (Syntetyczny) Kauczuk naturalny |
| IIR | Izobutylen Izopren Butyl | butyl |
| NBR | Akrylonitryl-butadien | NBR, Nitryl, Perbunan, Buna-N |
| PU | poliuretan | PU, poliuretan |
| SBR | Styren-butadien | SBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE |
| SEBS | Kopolimer styren-etylen-butylen-styren | Guma SEBS |
| Si | Polisiloksan | guma silikonowa |
| VMQ | Winylometylosilikon | guma silikonowa |
| XNBR | Monomer akrylonitrylowo-butadienowo-karboksylowy | XNBR, karboksylowany nitryl |
| XSBR | Styrenowo-butadienowy monomer karboksylowy | |
| YBPO | Termoplastyczny poliester polieterowy | |
| YSBR | Kopolimer blokowy styren-butadien | |
| YXSBR | Kopolimer blokowy styrenowo-butadienowo-karboksylowy |
SBR
Kauczuk butadienowo-styrenowy lub kauczuk butadienowo-styrenowy (SBR) opisuje kauczuki syntetyczne, które pochodzą ze styrenu i butadienu. Wzmocniony styren-butadien charakteryzuje się wysoką odpornością na ścieranie i dobrymi właściwościami przeciwstarzeniowymi. Stosunek między styrenem i butadienem określa właściwości polimeru: przy wysokiej zawartości styrenu gumy stają się twardsze i mniej gumowate.
Ograniczenia niewzmocnionego SBR wynikają z jego niskiej wytrzymałości bez wzmocnienia, niskiej sprężystości, niskiej wytrzymałości na rozdarcie (szczególnie w wysokich temperaturach) i słabej przyczepności. Dlatego do poprawy właściwości SBR wymagane są środki wzmacniające i wypełniacze. Na przykład, wypełniacze z sadzy są stosowane w celu zwiększenia wytrzymałości i odporności na ścieranie.
styren
Styren (C8H8) jest znany pod różnymi nazwami, takimi jak etenylobenzen, winylobenzen, fenyloeten, fenyloetylen, cynamen, styrol, diarex HF 77, styrolen i styropol. Jest to związek organiczny o wzorze chemicznym C6H5CH=CH2. Styren jest prekursorem polistyrenu i kilku kopolimerów.
Jest pochodną benzenu i występuje w postaci bezbarwnej oleistej cieczy, która łatwo odparowuje. Styren ma słodki zapach, który w wysokich stężeniach zmienia się w mniej przyjemny zapach.
W obecności grupy winylowej styren tworzy polimer. Polimery na bazie styrenu są produkowane komercyjnie w celu uzyskania produktów takich jak polistyren, ABS, kauczuk styrenowo-butadienowy (SBR), lateks styrenowo-butadienowy, SIS (styren-izopren-styren), S-EB-S (styren-etylen/butylen-styren), styren-diwinylobenzen (S-DVB), żywica styrenowo-akrylonitrylowa (SAN) i nienasycone poliestry, które są stosowane w żywicach i związkach termoutwardzalnych. Materiały te są ważnymi składnikami do produkcji gumy, tworzyw sztucznych, izolacji, włókna szklanego, rur, części samochodowych i łodzi, pojemników na żywność i podkładów dywanowych.
Zastosowania gumy
Guma ma wiele właściwości materiałowych, takich jak wytrzymałość, trwałość, wodoodporność i odporność na ciepło. Właściwości te sprawiają, że guma jest bardzo wszechstronna i znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Głównym zastosowaniem gumy jest przemysł motoryzacyjny, głównie do produkcji opon. Inne cechy, takie jak antypoślizgowość, miękkość, trwałość i sprężystość sprawiają, że guma jest bardzo popularnym kompozytem wykorzystywanym do produkcji obuwia, wykładzin podłogowych, artykułów medycznych i zdrowotnych, artykułów gospodarstwa domowego, zabawek, artykułów sportowych i wielu innych produktów gumowych.
Nanododatki i wypełniacze
Nanowypełniacze i dodatki w gumach działają jako środki wzmacniające i ochronne w celu poprawy wytrzymałości na rozciąganie, odporności na ścieranie, odporności na rozdarcie, histerezy i ochrony przed foto- i termiczną degradacją gumy.
Krzemionka
Krzemionka (SiO2, dwutlenek krzemu) jest stosowany w wielu postaciach, takich jak amorficzna krzemionka, np. dymiona krzemionka, pył krzemionkowy, strącana krzemionka w celu poprawy właściwości materiału w zakresie dynamicznych właściwości mechanicznych, odporności na starzenie termiczne i morfologii. Związki wypełnione krzemionką wykazują rosnącą lepkość i gęstość usieciowania odpowiednio do rosnącej zawartości wypełniacza. Twardość, moduł sprężystości, wytrzymałość na rozciąganie i charakterystyka zużycia ulegały stopniowej poprawie wraz ze wzrostem ilości wypełniacza krzemionkowego.
sadza
Sadza jest formą parakrystalicznego węgla z chemisorbowanymi kompleksami tlenu (takimi jak grupy karboksylowe, chinonowe, laktonowe, fenolowe i inne) przyłączonymi do jego powierzchni. Te powierzchniowe grupy tlenowe są zwykle grupowane pod terminem “lotne kompleksy”. Ze względu na zawartość substancji lotnych sadza jest materiałem nieprzewodzącym. Dzięki kompleksom węgiel-tlen funkcjonalizowane cząstki sadzy są łatwiejsze do zdyspergowania.
Wysoki stosunek powierzchni do objętości sadzy sprawia, że jest ona powszechnie stosowanym wypełniaczem wzmacniającym. Prawie wszystkie produkty gumowe, dla których wytrzymałość na rozciąganie i odporność na ścieranie są niezbędne, wykorzystują sadzę. Wytrącona lub spieniona krzemionka jest stosowana jako substytut sadzy, gdy wymagane jest wzmocnienie gumy, ale należy unikać czarnego koloru. Wypełniacze na bazie krzemionki zyskują jednak coraz większy udział w rynku opon samochodowych, ponieważ zastosowanie wypełniaczy krzemionkowych skutkuje niższymi stratami toczenia w porównaniu z oponami wypełnionymi sadzą.
Poniższa tabela zawiera przegląd typów sadzy stosowanych w oponach
| Nazwisko | Abbrev. | astm | Wielkość cząstek nm | Wytrzymałość na rozciąganie MPa | Względne ścieranie laboratoryjne | Względne ścieranie odzieży drogowej |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Piec superścierny | SAF | N110 | 20-25 | 25.2 | 1.35 | 1.25 |
| Pośredni SAF | ISAF | N220 | 24-33 | 23.1 | 1.25 | 1.15 |
| Piec o wysokiej ścieralności | HAF | N330 | 28-36 | 22.4 | 1.00 | 1.00 |
| Kanał łatwego przetwarzania | EPC | N300 | 30-35 | 21.7 | 0.80 | 0.90 |
| Piec do szybkiego wytłaczania | FEF | N550 | 39-55 | 18.2 | 0.64 | 0.72 |
| Piec o wysokim module sprężystości | HMF | N660 | 49-73 | 16.1 | 0.56 | 0.66 |
| Piec półwzmacniający | SRF | N770 | 70-96 | 14.7 | 0.48 | 0.60 |
| Fine Thermal | FT | N880 | 180-200 | 12.6 | 0.22 | – |
| Średni termiczny | MT | N990 | 250-350 | 9.8 | 0.18 | – |
tlenek grafenu
Tlenek grafenu rozproszony w SBR zapewnia wysoką wytrzymałość na rozciąganie i rozdarcie, a także wyjątkową odporność na zużycie i niski opór toczenia, które są ważnymi właściwościami materiału do produkcji opon. SBR wzmocniony tlenkiem grafenu i krzemionką stanowi konkurencyjną alternatywę dla przyjaznej dla środowiska produkcji opon, a także dla produkcji wysokowydajnych kompozytów gumowych. Grafen i tlenek grafenu można z powodzeniem, niezawodnie i łatwo złuszczać pod wpływem sonikacji. Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowej produkcji grafenu!