Preparação ultrassónica de borracha reforçada

• As borrachas reforçadas apresentam maior resistência à tração, alongamento, resistência à abrasão e melhor estabilidade ao envelhecimento.
• As cargas, como o negro de carbono (por exemplo, CNTs, MWNTs), o grafeno ou a sílica, têm de ser dispersas homogeneamente na matriz para proporcionar as propriedades desejadas do material.
• Os ultrassons de potência proporcionam uma qualidade superior de distribuição de nanopartículas monodispersas com elevadas propriedades de reforço.

Dispersão ultrassónica

A ultrassonicação é amplamente utilizada para dispersar nanomateriais, como nanopartículas monodispersas e nanotubos, uma vez que os ultrassons melhoram consideravelmente a separação e a funcionalização das partículas e dos tubos.
Os equipamentos de dispersão ultrassónica geram cavitação e elevadas forças de cisalhamento para romper, desaglomerar, desemaranhar e dispersar nanopartículas e nanotubos. A intensidade da sonicação pode ser ajustada e controlada com precisão, de modo que os parâmetros do processamento ultrassónico sejam perfeitamente adaptados, tendo em conta a concentração, a aglomeração e o alinhamento/emaranhamento do nanomaterial. Assim, os nanomateriais podem ser processados de forma ótima de acordo com os requisitos específicos do material. As condições ótimas de dispersão, resultantes de parâmetros do processo ultrassónico ajustados individualmente, originam um nanocompósito final de borracha de elevada qualidade, com características superiores de reforço dos nanoaditivos e das nanocargas.
Devido à qualidade superior da dispersão por ultrassons e à dispersão uniforme assim obtida, um teor muito baixo de carga é suficiente para obter excelentes características do material.

Borracha reforçada com negro de carbono por ultrassons

O negro de carbono é uma das cargas mais importantes nas borrachas, especialmente nos pneus, para conferir ao material de borracha resistência à abrasão e resistência à tração. As partículas de negro de carbono têm uma forte tendência para formar agregados difíceis de dispersar homogeneamente. O negro de carbono é habitualmente utilizado em tintas, esmaltes, tintas de impressão, coloração de nylon e plásticos, misturas de látex, misturas de ceras, revestimentos fotográficos e outras aplicações.
A dispersão ultrassónica permite desaglomerar e misturar uniformemente, com uma monodispersidade muito elevada das partículas.
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Borracha reforçada com CNTs / MWCNTs por ultrassons

Os homogeneizadores ultrassónicos são sistemas de dispersão potentes que podem ser controlados com precisão e ajustados aos requisitos do processo e do material. O controlo preciso dos parâmetros do processo ultrassónico é especialmente importante para dispersar nanotubos, como MWNTs ou SWNTs, uma vez que os nanotubos têm de ser desemaranhados em tubos individuais sem serem danificados (por exemplo, por cisão). Os nanotubos não danificados apresentam uma elevada relação de aspeto (até 132 000 000:1), pelo que conferem resistência e rigidez excecionais quando incorporados na formulação de um compósito. A sonicação potente e ajustada com precisão supera as forças de Van der Waals e dispersa e desemaranha os nanotubos, originando um material de borracha de elevado desempenho com resistência à tração e módulo de elasticidade excecionais.
Além disso, a funcionalização ultrassónica é utilizada para modificar nanotubos de carbono, a fim de obter as propriedades desejadas que podem ser utilizadas em múltiplas aplicações.

Borracha reforçada com nanossílica por ultrassons

Os dispersores ultrassónicos proporcionam uma distribuição altamente uniforme das nanopartículas de sílica (SiO₂) em soluções poliméricas de borracha. As nanopartículas de sílica (SiO₂) têm de ser distribuídas homogeneamente como partículas monodispersas em estireno-butadieno polimerizado e noutras borrachas. A nano-SiO₂ monodispersa atua como agente de reforço, melhorando significativamente a tenacidade, a resistência, o alongamento, a flexão e o desempenho contra o envelhecimento. Para as nanopartículas, aplica-se o seguinte: quanto menor o tamanho das partículas, maior a sua área superficial específica. Com uma relação área superficial/volume (S/V) mais elevada, obtêm-se melhores efeitos estruturais e de reforço, o que aumenta a resistência à tração e a dureza dos produtos de borracha.
A dispersão ultrassónica de nanopartículas de sílica permite controlar com exatidão os parâmetros do processo, de modo a obter uma morfologia esférica, um tamanho de partícula ajustado com precisão e uma distribuição de tamanhos muito estreita.
A sílica dispersa por ultrassons resulta no mais elevado desempenho do material da borracha assim reforçada.
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Dispersão ultrassónica de aditivos de reforço

Está comprovado que a sonicação dispersa muitos outros materiais nanoparticulados para melhorar o módulo, a resistência à tração e as propriedades de fadiga dos compósitos de borracha. Uma vez que o tamanho, a forma, a área superficial e a atividade superficial das partículas das cargas e dos aditivos de reforço são cruciais para o seu desempenho, os dispersores ultrassónicos potentes e fiáveis constituem um dos métodos mais frequentemente utilizados para incorporar partículas de dimensão micrométrica e nanométrica nas formulações de produtos de borracha.
Os aditivos e as cargas típicos incorporados por sonicação como partículas uniformemente distribuídas ou monodispersas em matrizes de borracha são o carbonato de cálcio, a argila caulínica, a sílica pirogénica, a sílica precipitada, o óxido de grafite, o grafeno, a mica, o talco, a barite, a wollastonite, os silicatos precipitados, a sílica pirogénica e a diatomite.
Quando nanopartículas de TiO₂ funcionalizadas com ácido oleico são dispersas por ultrassons em borracha de estireno-butadieno, mesmo uma quantidade muito pequena de SiO₂ funcionalizada com ácido oleico resulta numa melhoria significativa do módulo, da resistência à tração e das propriedades de fadiga, e atua como agente protetor contra a fotodegradação e a degradação térmica.

• A alumina tri-hidratada (Al₂O₃) é adicionada como retardador de chama, para melhorar a condutividade térmica e para conferir resistência à formação de caminhos condutores e à erosão.
• As cargas de óxido de zinco (ZnO) aumentam a permitividade relativa, bem como a condutividade térmica.
• O dióxido de titânio (TiO₂) melhora a condutividade térmica e elétrica.
• O carbonato de cálcio (CaCO₃) é utilizado como aditivo devido às suas propriedades mecânicas, reológicas e retardadoras de chama.
• O titanato de bário (BaTiO₃) aumenta a estabilidade térmica.
• O grafeno e o óxido de grafeno (GO) conferem características mecânicas, elétricas, térmicas e óticas superiores ao material.
• Os nanotubos de carbono (CNTs) melhoram significativamente as propriedades mecânicas, como a resistência à tração, e a condutividade elétrica e térmica.
• Os nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWNTs) melhoram o módulo de Young e a tensão de cedência. Por exemplo, apenas 1 wt.% de MWNTs numa resina epóxi resulta num aumento do módulo de Young e da tensão de cedência de, respetivamente, 100% e 200%, em comparação com a matriz pura.
• Os nanotubos de carbono de parede simples (SWNTs) melhoram as propriedades mecânicas e a condutividade térmica.
• As nanofibras de carbono (CNF) conferem resistência, resistência ao calor e durabilidade.
• As nanopartículas metálicas, como níquel, ferro, cobre, zinco, alumínio e prata , são adicionadas para melhorar a condutividade elétrica e térmica.
• Os nanomateriais orgânicos, como a montmorilonite , melhoram as propriedades mecânicas e retardadoras de chama.

Sistemas de dispersão ultrassónica

A Hielscher Ultrasonics oferece uma vasta gama de equipamentos ultrassónicos – desde sistemas de bancada mais pequenos para ensaios de viabilidade até unidades de sonicadores industriais para serviço intensivo, com até 16kW por unidade. A potência, a fiabilidade, a capacidade de controlo preciso e a robustez fazem dos sistemas de dispersão ultrassónica da Hielscher o “cavalo de batalha” na linha de produção de formulações com partículas micrométricas e nanométricas. Os nossos sonicadores são capazes de processar facilmente dispersões aquosas e à base de solventes até viscosidades elevadas (até 10 000cp) . Diversos sonotrodos (cornetas ultrassónicas), amplificadores (intensificadores/redutores), geometrias de células de fluxo e outros acessórios permitem adaptar de forma ótima o dispersor ultrassónico ao produto e aos requisitos do respetivo processo.
Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes até 200µm podem ser utilizadas de imediato e continuamente em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. A robustez dos equipamentos ultrassónicos da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em regime de serviço intensivo e em ambientes exigentes. Os dispersores ultrassónicos da Hielscher estão instalados em todo o mundo para produção comercial em grande escala.