Formulação ultrassônica de compósitos reforçados
- Os compósitos apresentam propriedades únicas do material, como estabilidade térmica significativamente aprimorada, módulo de elasticidade, resistência à tração, resistência à fratura e, portanto, são amplamente utilizados na fabricação de vários produtos.
- Está comprovado que a sonicação produz nanocompósitos de alta qualidade com CNTs altamente dispersos, grafeno etc.
- Equipamentos ultrassônicos para a formulação de compósitos reforçados estão disponíveis em escala industrial.
nanocompósitos
Os nanocompósitos se destacam por suas propriedades mecânicas, elétricas, térmicas, ópticas, eletroquímicas e/ou catalíticas.
Devido à sua relação superfície/volume excepcionalmente alta da fase de reforço e/ou sua proporção excepcionalmente alta, os nanocompósitos são significativamente mais eficientes do que os compósitos convencionais. Nano partículas, como sílica esférica, folhas minerais, como grafeno esfoliado ou argila, ou nanofibras, como nanotubos de carbono ou fibras eletrofiadas, são frequentemente usadas para reforço.
Por exemplo, nanotubos de carbono são adicionados para melhorar a condutividade elétrica e térmica, nano sílica é usada para melhorar as propriedades mecânicas, térmicas e de resistência à água. Outros tipos de nanopartículas fornecem propriedades ópticas aprimoradas, propriedades dielétricas, resistência ao calor ou propriedades mecânicas, como rigidez, força e resistência à corrosão e danos.
Exemplos de nanocompósitos formulados por ultrassom:
- nanotubos de carbono (CNT) em uma matriz de éster vinílico
- CNTs / cebolas de carbono / nano diamantes em uma matriz de metal de níquel
- CNTs em uma matriz de liga de magnésio
- CNTs em uma matriz de álcool polivinílico (PVA)
- nanotubo de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) em uma matriz de resina epóxi (usando anidrido metil tetrahidroftálico (MTHPA) como agente de cura)
- óxido de grafeno em uma matriz de poli (álcool vinílico) (PVA)
- Nanopartículas de SiC em uma matriz de magnésio
- nano sílica (Aerosil) em uma matriz de poliestireno
- óxido de ferro magnético em uma matriz flexível de poliuretano (PU)
- óxido de níquel em grafite/poli (cloreto de vinila)
- nanopartículas de titânia em uma matriz de ácido polilático-co-glicólico (PLGA)
- nano hidroxiapatita em uma matriz de ácido polilático-co-glicólico (PLGA)
Dispersão ultrassônica
Os parâmetros do processo ultrassônico podem ser controlados com precisão e adaptados de forma ideal à composição do material e à qualidade de saída desejada. A dispersão ultrassônica é a técnica recomendada para incorporar nanopartículas como CNTs ou grafeno em nanocompósitos. Testado há muito tempo em nível científico e implementado em muitas plantas de produção industrial, a dispersão ultrassônica e a formulação de nanocompósitos são um método bem estabelecido. A longa experiência da Hielscher em processamento ultrassônico de nanomateriais garante uma consultoria profunda, a recomendação de uma configuração ultrassônica adequada e assistência durante o desenvolvimento e otimização do processo.
Principalmente, as nanopartículas de reforço são dispersas na matriz durante o processamento. A porcentagem de peso (fração de massa) da faixa de nanomaterial adicionado na escala inferior, por exemplo, 0,5% a 5%, uma vez que a dispersão uniforme alcançada por sonicação permite economizar os enchimentos de reforço e maior desempenho de reforço.
Uma aplicação típica do ultrassom na fabricação é a formulação de compósito de resina nanoparticulada. Para produzir éster vinílico reforçado com CNT, a sonicação é usada para dispersar e funcionalizar CNTs. Estes ésteres vinílicos CNT são caracterizados por propriedades elétricas e mecânicas aprimoradas.
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Nanopartícula funcionalizada por ultrassom
Dispositivo ultrassônico UIP1500hd com reator de fluxo contínuo
grafeno
O grafeno oferece propriedades físicas excepcionais, alta proporção e baixa densidade. O grafeno e o óxido de grafeno são integrados em uma matriz composta para obter polímeros leves e de alta resistência. Para conseguir o reforço mecânico, as folhas / plaquetas de grafeno devem ser muito finas dispersas, pois as folhas de grafeno aglomeradas limitam drasticamente o efeito de reforço.
A pesquisa científica mostrou que a magnitude da melhoria depende principalmente do grau de dispersão das folhas de grafeno na matriz. Apenas grafeno homogeneamente disperso dá os efeitos desejados. Devido à sua forte hidrofobicidade e atração de van der Waals, o grafeno é propenso a se agregar e se aglomerar em flocos de folhas monocamadas de interação fraca.
Embora as técnicas comuns de dispersão muitas vezes não possam produzir dispersões de grafeno homogêneas e não danificadas, os ultrasonicadores de alta potência produzem dispersões de grafeno de alta qualidade. Os ultrasonicadores da Hielscher lidam com grafeno puro, óxido de grafeno e óxido de grafeno reduzido de baixa a alta concentração e de pequenos a grandes volumes sem complicações. Um solvente comumente usado é a N-metil-2-pirrolidona (NMP), mas com ultrassom de alta potência, o grafeno pode ser disperso em solventes pobres e de baixo ponto de ebulição, como acetona, clorofórmio, IPA e ciclohexanona.
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Nanotubos de carbono e outros nanomateriais
Está comprovado que o ultrassom de potência resulta em dispersões de tamanho fino de vários nanomateriais, incluindo nanotubos de carbono (CNTs), SWNTs, MWNTs, fulerenos, sílica (SiO2), dióxido de titânio (TiO2), prata (Ag), óxido de zinco (ZnO), celulose nanofibrilada e muitos outros. Em geral, a sonicação supera os dispersores convencionais e pode alcançar resultados únicos.
Além de moer e dispersar nanopartículas, excelentes resultados são alcançados sintetizando nanopartículas por meio de precipitação ultrassônica (síntese de baixo para cima). Observou-se que o tamanho das partículas, por exemplo, de magnetita sintetizada por ultrassom, molibdato de zinco e sódio e outros, é menor em comparação com o obtido pelo método convencional. O tamanho menor é atribuído à taxa de nucleação aprimorada e melhores padrões de mistura devido ao cisalhamento e turbulência gerados pela cavitação ultrassônica.
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Funcionalização ultrassônica de partículas
A área de superfície específica de uma partícula aumenta com a redução do tamanho. Especialmente na nanotecnologia, a expressão das características do material é significativamente aumentada pelo aumento da área de superfície da partícula. A área de superfície pode ser aumentada e modificada por ultrassom anexando moléculas funcionais apropriadas na superfície da partícula. Em relação à aplicação e uso de nanomateriais, as propriedades da superfície são tão importantes quanto as propriedades do núcleo das partículas.
Partículas funcionalizadas por ultrassom são amplamente utilizadas em polímeros, compósitos & biocompósitos, nanofluidos, dispositivos montados, nanomedicamentos, etc. Por funcionalização de partículas, características como estabilidade, resistência & Rigidez, solubilidade, polidispersão, fluorescência, magnetismo, superparamagnetismo, absorção óptica, alta densidade de elétrons, fotoluminiscência, etc., são drasticamente melhorados.
Partículas comuns que são funcionalizadas comercialmente com Hielscher’ os sistemas ultrassônicos incluem CNTs, SWNTs, MWNTs, grafeno, grafite, sílica (SiO2), nanodiamantes, magnetita (óxido de ferro, Fe3O4), partículas nano de prata, partículas nano de ouro, porosas & nanopartículas mesoporosas etc.
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Dispersores ultrassônicos
O equipamento de dispersão ultrassônica da Hielscher está disponível para produção em laboratório, bancada e industrial. Os ultrassônicos da Hielscher são confiáveis, robustos, fáceis de operar e limpar. O equipamento é projetado para operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob condições de serviço pesado. Os sistemas ultrassônicos podem ser usados para processamento em lote e em linha – flexível e facilmente adaptável ao seu processo e requisitos.
Capacidades ultrassônicas em lote e em linha
| Volume do lote | Vazão | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 5 a 200mL | 50 a 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 a 2L | 0.25 a 2m3/RH | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 a 10L | 1 a 8m3/RH | UIP4000 |
| n.a. | 4 a 30m3/RH | UIP16000 |
| n.a. | acima de 30m3/RH | cluster de UIP10000 ou UIP16000 |
Dispositivo de laboratório ultrassônico para funcionalização de partículas
Literatura/Referências
- Kapole, S.A:; Bhanvase, BA; Oliveira, D.V.; Gógata, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, AB (2014): “Investigação do desempenho de inibição de corrosão de nanopigmento de molibdato de zinco de sódio preparado por ultrassom em revestimento epóxi-poliamida de dois pacotes. Interfaces compostas 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, ST; Noruzian, M. (2016): Preparação de novos nanocompósitos de espuma magnética de poliuretano usando nanopartículas de núcleo-casca. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Oliveira, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): A preparação de material compósito de óxido de grafeno-poliestireno. 3ª Conferência Internacional sobre Meio Ambiente, Química e Biologia. IPCBEE vol.78, 2014.
Fatos, vale a pena conhecer
Sobre materiais compostos
Os materiais compósitos (também conhecidos como material de composição) são descritos como um material feito de dois ou mais constituintes que são caracterizados por propriedades físicas ou químicas significativamente diferentes. Quando esses materiais constituintes são combinados, um novo material – o chamado composto – é produzido, o que mostra características diferentes dos componentes individuais. Os componentes individuais permanecem separados e distintos dentro da estrutura acabada.
O novo material tem melhores propriedades, por exemplo, é mais forte, mais leve, mais resistente ou menos caro em comparação com os materiais convencionais. Os aprimoramentos dos nanocompósitos variam de propriedades mecânicas, elétricas / condutoras, térmicas, ópticas, eletroquímicas a catalíticas.
Os materiais compósitos de engenharia típicos incluem:
- biocompósitos
- plásticos reforçados, como polímero reforçado com fibra
- compósitos metálicos
- Compósitos cerâmicos (matriz cerâmica e compósito de matriz metálica)
Os materiais compósitos são geralmente usados para materiais de construção e estruturação, como cascos de barcos, bancadas, carrocerias de automóveis, banheiras, tanques de armazenamento, imitação de granito e pias de mármore cultivado, bem como em naves espaciais e aeronaves.
Os compósitos também podem usar fibras metálicas que reforçam outros metais, como em compósitos de matriz metálica (MMC) ou compósitos de matriz cerâmica (CMC), que inclui osso (hidroxiapatita reforçada com fibras de colágeno), cermet (cerâmica e metal) e concreto.
Os compósitos de matriz orgânica / agregado cerâmico incluem concreto asfáltico, concreto polímero, mástique asfáltico, híbrido de rolo de mástique, compósito dentário, espuma sintática e madrepérola.
Sobre efeitos ultrassônicos em partículas
As propriedades das partículas podem ser observadas quando o tamanho da partícula é reduzido a um nível específico (conhecido como tamanho crítico). Quando as dimensões das partículas atingem o nível nanométrico, as interações nas interfaces de fase tornam-se amplamente melhoradas, o que é crucial para melhorar as características dos materiais. Assim, a relação área de superfície: volume dos materiais que são usados para reforço em nanocompósitos é mais significativa. Os nanocompósitos oferecem vantagens tecnológicas e econômicas para quase todos os setores da indústria, incluindo os setores aeroespacial, automotivo, eletrônico, biotecnológico, farmacêutico e médico. Outra grande vantagem é o respeito ao meio ambiente.
O ultrassom de potência melhora a molhabilidade e a homogeneização entre a matriz e as partículas por sua intensa mistura e dispersão – gerado por cavitação ultrassônica. Como a sonicação é o método de dispersão mais amplamente utilizado e mais bem-sucedido quando se trata de nanomateriais, os sistemas ultrassônicos da Hielscher são instalados em laboratório, planta piloto e produção em todo o mundo.