Formulação ultra-sónica de compósitos reforçados
- Os compósitos apresentam propriedades materiais únicas, tais como uma estabilidade térmica, um módulo de elasticidade, uma resistência à tração e uma resistência à fratura significativamente melhoradas, pelo que são amplamente utilizados no fabrico de produtos para colectores.
- Está provado que a sonicação produz nanocompósitos de alta qualidade com CNTs altamente dispersos, grafeno, etc.
- O equipamento ultrassónico para a formulação de compósitos reforçados está disponível à escala industrial.
nanocompósitos
Os nanocompósitos destacam-se pelas suas propriedades mecânicas, eléctricas, térmicas, ópticas, electroquímicas e/ou catalíticas.
Devido à sua relação superfície/volume excecionalmente elevada da fase de reforço e/ou à sua relação de aspeto excecionalmente elevada, os nanocompósitos têm um desempenho significativamente superior ao dos compósitos convencionais. As nanopartículas, como a sílica esférica, as folhas minerais, como o grafeno esfoliado ou a argila, ou as nanofibras, como os nanotubos de carbono ou as fibras electrospun, são frequentemente utilizadas como reforço.
Por exemplo, os nanotubos de carbono são adicionados para melhorar a condutividade eléctrica e térmica, a nanossílica é utilizada para melhorar as propriedades mecânicas, térmicas e de resistência à água. Outros tipos de nanopartículas melhoram as propriedades ópticas, as propriedades dieléctricas, a resistência ao calor ou as propriedades mecânicas, como a rigidez, a força e a resistência à corrosão e aos danos.
Exemplos de nanocompósitos formulados por ultra-sons:
- nanotubos de carbono (CNT) numa matriz de éster vinílico
- CNTs / cebolas de carbono / nano diamantes numa matriz de níquel metálico
- CNTs numa matriz de liga de magnésio
- CNTs numa matriz de álcool polivinílico (PVA)
- nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) numa matriz de resina epoxídica (utilizando anidrido metil tetrahidroftálico (MTHPA) como agente de cura)
- óxido de grafeno numa matriz de poli(álcool vinílico) (PVA)
- Nanopartículas de SiC numa matriz de magnésio
- nano-sílica (Aerosil) numa matriz de poliestireno
- óxido de ferro magnético numa matriz flexível de poliuretano (PU)
- óxido de níquel em grafite/poli(cloreto de vinilo)
- nanopartículas de titânia numa matriz de ácido poli-lático-co-glicólico (PLGA)
- nano-hidroxiapatite numa matriz de ácido poli-lático-co-glicólico (PLGA)
Dispersão ultra-sónica
Os parâmetros do processo ultrassónico podem ser controlados com exatidão e adaptados de forma óptima à composição do material e à qualidade de saída desejada. A dispersão ultra-sónica é a técnica recomendada para incorporar nano partículas, tais como CNTs ou grafeno em nanocompósitos. Testada há muito tempo a nível científico e implementada em muitas instalações de produção industrial, a dispersão ultra-sónica e a formulação de nanocompósitos é um método bem estabelecido. A longa experiência da Hielscher no processamento ultrassónico de nanomateriais garante uma consultoria profunda, a recomendação de uma configuração ultra-sónica adequada e assistência durante o desenvolvimento e otimização do processo.
Na maioria dos casos, as nanopartículas de reforço são dispersas na matriz durante o processamento. A percentagem de peso (fração de massa) do nano material adicionado varia na escala inferior, por exemplo, 0,5% a 5%, uma vez que a dispersão uniforme conseguida por sonicação permite poupar as cargas de reforço e um desempenho de reforço mais elevado.
Uma aplicação típica de ultra-sons no fabrico é a formulação de compósito nanoparticulado-resina. Para produzir éster vinílico reforçado com CNT, a sonicação é usada para dispersar e funcionalizar CNTs. Estes CNT-vinil éster são caracterizados por propriedades eléctricas e mecânicas melhoradas.
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Nano partículas funcionalizadas por ultra-sons
dispositivo ultrassónico UIP1500hd com reator de fluxo contínuo
Grafeno
O grafeno oferece propriedades físicas excepcionais, um elevado rácio de aspeto e baixa densidade. O grafeno e o óxido de grafeno são integrados numa matriz composta para obter polímeros leves e de elevada resistência. Para conseguir o reforço mecânico, as folhas/plaquetas de grafeno devem estar dispersas de forma muito fina, pois as folhas de grafeno aglomeradas limitam drasticamente o efeito de reforço.
A investigação científica demonstrou que a magnitude da melhoria depende principalmente do grau de dispersão das folhas de grafeno na matriz. Apenas o grafeno homogeneamente disperso produz os efeitos desejados. Devido à sua forte hidrofobicidade e à atração de van der Waals, o grafeno tem tendência para se agregar e aglomerar em flocos de folhas monocamadas com fraca interação.
Enquanto as técnicas de dispersão comuns muitas vezes não podem produzir dispersões de grafeno homogéneas e não danificadas, os ultrasonicators de alta potência produzem dispersões de grafeno de alta qualidade. Ultrasonicators de Hielscher lidar com grafeno pristine, óxido de grafeno, e óxido de grafeno reduzido de baixa a alta concentração e de pequenos a grandes volumes sem problemas. Um solvente utilizado comum é N-metil-2-pirrolidona (NMP), mas com ultra-sons de alta potência, grafeno pode ser ainda disperso em pobres, solventes de baixo ponto de ebulição, tais como acetona, clorofórmio, IPA, e ciclo-hexanona.
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Nanotubos de carbono e outros nanomateriais
Ultra-sons de potência é comprovada para resultar em dispersões de tamanho fino de vários materiais nano 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 moagem e dispersão de partículas nano, excelentes resultados são alcançados através da síntese de partículas nano através de precipitação ultra-sônica (síntese de baixo para cima). Observou-se que o tamanho das partículas, por exemplo, de magnetite sintetizada por ultra-sons, molibdato de zinco de sódio e outros, é menor em comparação com o obtido utilizando o método convencional. O tamanho inferior é atribuído à taxa de nucleação reforçada e melhores padrões de mistura devido ao cisalhamento e turbulência gerada por cavitação ultra-sônica.
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Funcionalização de partículas por ultra-sons
A área de superfície específica de uma partícula aumenta com a redução do tamanho. Especialmente na nanotecnologia, a expressão das caraterísticas do material é significativamente aumentada pela área de superfície alargada da partícula. A área de superfície pode ser aumentada e modificada por ultra-sons através da ligação de moléculas funcionais adequadas à superfície da partícula. No que respeita à aplicação e utilização de nanomateriais, as propriedades da superfície são tão importantes como as propriedades do núcleo da partícula.
As partículas ultrassonicamente funcionalizadas são amplamente utilizadas em polímeros, compósitos & biocompósitos, nanofluidos, dispositivos montados, nanomedicamentos, etc. Através da funcionalização das partículas, caraterísticas como a estabilidade, a resistência & rigidez, solubilidade, polidispersão, fluorescência, magnetismo, superparamagnetismo, absorção ótica, elevada densidade eletrónica, fotoluminiscência, etc., são drasticamente melhorados.
Partículas comuns que são comercialmente funcionalizadas com Hielscher’ sistemas ultra-sónicos incluem CNTs, SWNTs, MWNTs, grafeno, grafite, sílica (SiO2), nanodiamantes, magnetite (óxido de ferro, Fe3O4), nanopartículas de prata, nanopartículas de ouro, partículas porosas & nanopartículas mesoporosas, etc.
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Dispersores ultra-sónicos
O equipamento de dispersão por ultra-sons da Hielscher está disponível para produção laboratorial, de bancada e industrial. Os ultrassonicadores da Hielscher são fiáveis, robustos, fáceis de operar e limpar. O equipamento foi concebido para funcionar 24 horas por dia, 7 dias por semana, em condições de trabalho pesado. Os sistemas de ultra-sons podem ser utilizados para processamento em lote e em linha – flexível e facilmente adaptável ao seu processo e requisitos.
Capacidades ultrassónicas em linha e em lote
| Volume do lote | caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 5 a 200mL | 50 a 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 a 2L | 0.25 a 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 a 10L | 1 a 8m3/hr | UIP4000 |
| n.d. | 4 a 30m3/hr | UIP16000 |
| n.d. | acima de 30m3/hr | grupo de UIP10000 OU UIP16000 |
Dispositivo de laboratório ultrassónico para a funcionalização de partículas
Literatura/Referências
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Investigação do desempenho de inibição de corrosão do nanopigmento de molibdato de sódio e zinco preparado por ultrassom em revestimento de epóxi-poliamida de dois pacotes. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Preparação de novos nanocompósitos magnéticos de espuma de poliuretano utilizando nanopartículas core-shell. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, 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 os materiais compósitos
Os materiais compósitos (também conhecidos como materiais de composição) são descritos como um material feito de dois ou mais constituintes que se caracterizam por propriedades físicas ou químicas significativamente diferentes. Quando esses materiais constituintes são combinados, obtém-se um novo material – o chamado composto – é produzido, o qual apresenta caraterísticas diferentes dos componentes individuais. Os componentes individuais permanecem separados e distintos na estrutura acabada.
O novo material tem melhores propriedades, por exemplo, é mais forte, mais leve, mais resistente ou menos dispendioso em comparação com os materiais convencionais. As melhorias dos nanocompósitos vão desde as propriedades mecânicas, eléctricas/condutoras, térmicas, ópticas, electroquímicas até às propriedades catalíticas.
Os materiais compósitos de engenharia típicos incluem:
- biocompósitos
- plásticos reforçados, tais como polímeros reforçados com fibras
- compósitos metálicos
- compósitos cerâmicos (compósitos de matriz cerâmica e de matriz metálica)
Os materiais compósitos são geralmente utilizados na construção e estruturação de materiais como cascos de barcos, bancadas, carroçarias de automóveis, banheiras, tanques de armazenamento, imitações de granito e lavatórios de mármore cultivado, bem como em naves espaciais e aeronaves.
Os compósitos podem também utilizar fibras metálicas que reforçam outros metais, como nos compósitos de matriz metálica (MMC) ou nos compósitos de matriz cerâmica (CMC), que incluem osso (hidroxiapatite reforçada com fibras de colagénio), cermet (cerâmica e metal) e betão.
Os compósitos de matriz orgânica/agregados cerâmicos incluem o betão asfáltico, o betão polímero, o mastique asfáltico, o híbrido de mastique e rolo, o compósito dentário, a espuma sintáctica e a madrepérola.
Sobre os efeitos ultra-sónicos nas partículas
As propriedades das partículas podem ser observadas quando o tamanho das partículas é reduzido a um determinado nível (conhecido como tamanho crítico). Quando as dimensões das partículas atingem o nível nanométrico, as interações nas interfaces das fases melhoram consideravelmente, o que é crucial para melhorar as caraterísticas dos materiais. Deste modo, a relação área de superfície: volume dos materiais utilizados como reforço nos nanocompósitos é muito significativa. Os nanocompósitos oferecem vantagens tecnológicas e económicas para quase todos os sectores da indústria, incluindo os sectores aeroespacial, automóvel, eletrónico, biotecnológico, farmacêutico e médico. Uma outra grande vantagem é o facto de serem amigos do ambiente.
Os ultra-sons de potência melhoram a molhabilidade e a homogeneização entre a matriz e as partículas através da sua intensa mistura e dispersão – gerado por Cavitação ultra-sónica. Uma vez que a sonicação é o método de dispersão mais utilizado e mais bem sucedido quando se trata de nano materiais, os sistemas de ultra-sons da Hielscher são instalados em laboratório, planta piloto e produção em todo o mundo.