Formulação ultrassónica de compósitos reforçados

• Os compósitos apresentam propriedades materiais únicas, como estabilidade térmica, módulo de elasticidade, resistência à tração e resistência à fratura significativamente melhorados, pelo que são amplamente utilizados no fabrico de diversos produtos.
• Está comprovado que a sonicação produz nanocompósitos de elevada qualidade com CNTs, grafeno, etc., altamente dispersos.
• O equipamento ultrassónico para a formulação de compósitos reforçados está disponível à escala industrial.

Nanocompósitos

Os nanocompósitos destacam-se pelas suas propriedades mecânicas, elétricas, térmicas, óticas, eletroquímicas e/ou catalíticas.
Devido à relação excecionalmente elevada entre a área superficial e o volume da fase de reforço e/ou à sua razão de aspeto excecionalmente elevada, os nanocompósitos apresentam um desempenho significativamente superior ao dos compósitos convencionais. As nanopartículas, como a sílica esférica, as lâminas minerais, como o grafeno esfoliado ou a argila, ou as nanofibras, como os nanotubos de carbono ou as fibras obtidas por eletrofiação, são frequentemente utilizadas como reforço.
Por exemplo, adicionam-se nanotubos de carbono para melhorar a condutividade elétrica e térmica, e utiliza-se nanossílica para melhorar as propriedades mecânicas, térmicas e de resistência à água. Outros tipos de materiais nanoparticulados proporcionam melhores propriedades óticas, propriedades dielétricas, resistência ao calor ou propriedades mecânicas, como rigidez, resistência e resistência à corrosão e a danos.

Exemplos de nanocompósitos formulados por ultrassons:

• nanotubos de carbono (CNT) numa matriz de éster vinílico
• CNTs / nanocebolas de carbono / nanodiamantes numa matriz metálica de níquel
• CNTs numa matriz de liga de magnésio
• CNTs numa matriz de álcool polivinílico (PVA)
• nanotubo de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) numa matriz de resina epóxi (utilizando anidrido metiltetra-hidroftálico (MTHPA) como agente de cura)
• óxido de grafeno numa matriz de poli(álcool vinílico) (PVA)
• nanopartículas de SiC numa matriz de magnésio
• nanossílica (Aerosil) numa matriz de poliestireno
• óxido de ferro magnético numa matriz de poliuretano (PU) flexível
• óxido de níquel em grafite/poli(cloreto de vinilo)
• nanopartículas de dióxido de titânio numa matriz de ácido poli(láctico-co-glicólico) (PLGA)
• nano-hidroxiapatite numa matriz de ácido poli(láctico-co-glicólico) (PLGA)

Dispersão ultrassónica

Os parâmetros do processo ultrassónico podem ser controlados com exatidão e adaptados de forma ótima à composição do material e à qualidade pretendida do produto final. A dispersão ultrassónica é a técnica recomendada para incorporar nanopartículas, como CNTs ou grafeno, em nanocompósitos. Testada há muito tempo a nível científico e implementada em muitas instalações de produção industrial, a dispersão e formulação ultrassónica de nanocompósitos é um método bem estabelecido. A longa experiência da Hielscher no processamento ultrassónico de nanomateriais assegura um aconselhamento aprofundado, a recomendação de uma configuração ultrassónica adequada e assistência durante o desenvolvimento e a otimização do processo.
Na maioria dos casos, as nanopartículas de reforço são dispersas na matriz durante o processamento. A percentagem em massa (fração mássica) do nanomaterial adicionado situa-se na gama inferior, por exemplo, de 0,5% a 5%, uma vez que a dispersão uniforme obtida por sonicação permite reduzir a quantidade de cargas de reforço e obter um desempenho de reforço superior.
Uma aplicação típica dos ultrassons no fabrico é a formulação de compósitos de resina e material nanoparticulado. Para produzir éster vinílico reforçado com CNTs, utiliza-se a sonicação para dispersar e funcionalizar os CNTs. Estes compósitos de CNTs e éster vinílico caracterizam-se por propriedades elétricas e mecânicas melhoradas.
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Grafeno

O grafeno oferece propriedades físicas excecionais, uma elevada razão de aspeto e baixa densidade. O grafeno e o óxido de grafeno são integrados numa matriz compósita para obter polímeros leves e de elevada resistência. Para conseguir o reforço mecânico, as lâminas / plaquetas de grafeno têm de ser dispersas de forma muito fina, pois as lâminas de grafeno aglomeradas limitam drasticamente o efeito de reforço.
A investigação científica demonstrou que a magnitude da melhoria depende sobretudo do grau de dispersão das lâminas de grafeno na matriz. Apenas o grafeno disperso de forma homogénea 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 lâminas de uma única camada com interações fracas entre si.
Embora as técnicas de dispersão comuns muitas vezes não consigam produzir dispersões de grafeno homogéneas e sem danos, os sonicadores de elevada potência produzem dispersões de grafeno de elevada qualidade. Os sonicadores da Hielscher processam grafeno prístino, óxido de grafeno e óxido de grafeno reduzido, desde concentrações baixas a elevadas e de pequenos a grandes volumes, sem dificuldades. Um solvente habitualmente utilizado é a N-metil-2-pirrolidona (NMP), mas, com ultrassons de elevada potência, o grafeno pode até ser disperso em solventes fracos de baixo ponto de ebulição, como acetona, clorofórmio, IPA e ciclo-hexanona.
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Nanotubos de carbono e outros nanomateriais

Está comprovado que os ultrassons de potência produzem dispersões de partículas finas 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 da moagem e dispersão de nanopartículas, obtêm-se excelentes resultados com a síntese de nanopartículas por precipitação ultrassónica (síntese de baixo para cima). Observou-se que o tamanho das partículas, por exemplo, de magnetite, molibdato de sódio e zinco e outros materiais sintetizados por ultrassons, é inferior ao obtido pelo método convencional. O menor tamanho é atribuído à maior taxa de nucleação e a melhores padrões de mistura devido ao cisalhamento e à turbulência gerados pela cavitação ultrassónica.
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Funcionalização ultrassónica de partículas

A área superficial específica de uma partícula aumenta com a redução do seu tamanho. Especialmente na nanotecnologia, a expressão das características do material aumenta significativamente com o aumento da área superficial da partícula. A área superficial pode ser aumentada e modificada por ultrassons através da ligação de moléculas funcionais adequadas à superfície da partícula. No que respeita à aplicação e utilização de nanomateriais, as propriedades superficiais são tão importantes como as propriedades do núcleo das partículas.
As partículas funcionalizadas por ultrassons são amplamente utilizadas em polímeros, compósitos e biocompósitos, nanofluidos, dispositivos montados, nanomedicamentos, etc. A funcionalização de partículas melhora drasticamente características como estabilidade, resistência e rigidez, solubilidade, polidispersidade, fluorescência, magnetismo, superparamagnetismo, absorção ótica, elevada densidade eletrónica, fotoluminescência, etc.
As partículas comuns funcionalizadas comercialmente com os sistemas ultrassónicos da Hielscher incluem CNTs, SWNTs, MWNTs, grafeno, grafite, sílica (SiO₂), nanodiamantes, magnetite (óxido de ferro, Fe₃O₄), nanopartículas de prata, nanopartículas de ouro, nanopartículas porosas e mesoporosas, etc.
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Dispersores ultrassónicos

O equipamento de dispersão ultrassónica da Hielscher está disponível para laboratório, bancada e produção industrial. Os sonicadores da Hielscher são fiáveis, robustos e fáceis de operar e limpar. O equipamento foi concebido para funcionar 24/7 em condições de serviço exigentes. Os sistemas ultrassónicos podem ser utilizados para processamento por lotes e em linha – são flexíveis e facilmente adaptáveis ao seu processo e aos seus requisitos.

Capacidades de processamento ultrassónico por lotes e em linha