Producția avantajoasă de hidrogeluri prin ultrasonicare

Sonicarea este o tehnică foarte eficace, fiabilă și simplă pentru prepararea hidrogelurilor de înaltă performanță. Aceste hidrogeluri oferă proprietăți excelente ale materialului, cum ar fi capacitățile de absorbție, viscoelasticitatea, rezistența mecanică, modulul de compresie și funcționalitățile de autovindecare.

Polimerizarea și dispersarea cu ultrasunete pentru producția de hidrogeluri

Hidrogelurile sunt rețele polimerice hidrofile, tridimensionale, capabile să absoarbă cantități mari de apă sau fluide. Hidrogelurile prezintă o capacitate extraordinară de umflare. Elementele constitutive comune ale hidrogelurilor includ alcoolul polivinilic, polietilenglicolul, poliacrilatul de sodiu, polimerii acrilați, carbomerii, polizaharidele sau polipeptidele cu un număr mare de grupări hidrofile, precum și proteinele naturale, cum ar fi colagenul, gelatina și fibrina.
Așa-numitele hidrogeluri hibride constau din diverse materiale distincte din punct de vedere chimic, funcțional și morfologic, cum ar fi proteine, peptide sau nano-/microstructuri.
Dispersarea cu ultrasunete este utilizată pe scară largă ca tehnică extrem de eficientă și fiabilă pentru omogenizarea nanomaterialelor, cum ar fi nanotuburile de carbon (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), nanocristalele de celuloză, nanofibrele de chitină, dioxidul de titan, nanoparticulele de argint, proteinele și alte structuri micronice sau nanostructuri, în matricea polimerică a hidrogelurilor. Acest lucru face din sonicare un instrument principal pentru producerea hidrogelurilor de înaltă performanță cu calități extraordinare.

Ce arată cercetările – Prepararea hidrogelurilor cu ultrasunete

În primul rând, ultrasonicarea promovează reacțiile de polimerizare și de reticulare în timpul formării hidrogelurilor.
În al doilea rând, ultrasonicarea s-a dovedit a fi o tehnică de dispersare fiabilă și eficientă pentru producția de hidrogeluri și de hidrogeluri nanocompozite.

Reticularea și polimerizarea hidrogelurilor cu ultrasunete

Ultrasonicarea facilitează formarea rețelelor polimerice în timpul sintezei hidrogelurilor prin generarea de radicali liberi. Undele ultrasonice intense generează cavitație acustică, care determină forțe de forfecare ridicată, forfecare moleculară și formarea de radicali liberi.

Cass et al. (2010) au preparat mai multe hidrogeluri: „hidrogelurile acrilice au fost preparate prin polimerizarea cu ultrasunete a monomerilor și macromonomerilor solubili în apă. Ultrasunetele au fost utilizate pentru a crea radicali inițiatori în soluții apoase vâscoase de monomeri, folosind aditivii glicerol, sorbitol sau glucoză, într-un sistem deschis la 37°C. Aditivii solubili în apă au fost esențiali pentru producerea hidrogelurilor, glicerolul fiind cel mai eficient. Hidrogelurile au fost preparate din monomerii metacrilat de 2-hidroxietil, dimetacrilat de poli(etilenglicol), metacrilat de dextran, acid acrilic/dimetacrilat de etilenglicol și acrilamidă/bis-acrilamidă.” [Cass et al. 2010] Aplicarea ultrasunetelor cu ajutorul unui ultrasonicator cu sondă s-a dovedit a fi o metodă eficientă pentru polimerizarea monomerilor vinilici solubili în apă și prepararea ulterioară a hidrogelurilor. Polimerizarea inițiată cu ultrasunete are loc rapid, în absența unui inițiator chimic.
Găsiți aici protocolul complet al studiului!
 

Dispersarea ultrasonică a silicei pirogene: omogenizatorul ultrasonic Hielscher UP400S dispersează rapid și eficient pulberea de silice în nanoparticule individuale.

Citiți mai multe despre sinteza cu ultrasunete a hidrogelurilor nanocompozite și a nanogelurilor!

Ultrasonicarea este compatibilă cu toate tipurile de polimeri și biopolimeri și permite ranforsarea hidrogelurilor hibride cu materiale nanostructurate, cum ar fi nanoparticulele, nanocristalele sau nanofibrele. Ranforsarea hidrogelurilor cu diverse nanomateriale permite modificarea și controlul proprietăților fizico-chimice și reo-mecanice ale hidrogelurilor nanocompozite, deoarece microstructurile reprezintă factorul cheie pentru proprietățile materialului obținut.

Fabricarea hidrogelului de poli(acrilamidă-co-acid itaconic) – MWCNT folosind sonicarea

Mohammadinezhada et al. (2018) au produs cu succes un compozit de hidrogel superabsorbant care conține poli(acrilamidă-co-acid itaconic) și nanotuburi de carbon cu pereți multipli (MWCNTs). Ultrasonicarea a fost efectuată cu dispozitivul cu ultrasunete Hielscher UP200S.Stabilitatea hidrogelului a crescut odată cu creșterea proporțiilor de MWCNTs, ceea ce ar putea fi atribuit naturii hidrofobe a MWCNTs, precum și creșterii densității agentului de reticulare. Capacitatea de retenție a apei (WRC) a hidrogelului P(AAm-co-IA) a crescut, de asemenea, în prezența MWCNT (10 wt%). În acest studiu, efectele ultrasonicării au fost evaluate ca superioare în ceea ce privește distribuția uniformă a nanotuburilor de carbon pe suprafața polimerului. MWCNTs au rămas intacte, fără nicio întrerupere în structura polimerică. În plus, rezistența nanocompozitului obținut, capacitatea sa de retenție a apei și absorbția altor materiale solubile, precum Pb (II), au crescut. Sonicarea a descompus inițiatorul și a dispersat MWCNTs ca un excelent material de umplutură în lanțurile polimerice, la temperatură în creștere.
Cercetătorii concluzionează că aceste „condiții de reacție nu pot fi obținute prin metode convenționale, iar omogenitatea și buna dispersie a particulelor în gazdă nu pot fi realizate. În plus, procesul de sonicare separă nanoparticulele în particule individuale, în timp ce agitarea nu poate face acest lucru. Un alt mecanism pentru reducerea dimensiunii este efectul undelor acustice puternice asupra legăturilor secundare, precum legăturile de hidrogen; această iradiere rupe legăturile de hidrogen ale particulelor și, ulterior, disociază particulele agregate și crește numărul de grupări adsorbante libere, precum -OH, și accesibilitatea. Astfel, acest fenomen important face din procesul de sonicare o metodă superioară altora, precum agitarea magnetică aplicată în literatura de specialitate.” [Mohammadinezhada et al., 2018]

Ultrasonicatoare de înaltă performanță pentru sinteza hidrogelurilor

Hielscher Ultrasonics fabrică echipamente cu ultrasunete de înaltă performanță pentru sinteza hidrogelurilor. De la ultrasonicatoare mici și de dimensiuni medii pentru cercetare-dezvoltare și pentru scară pilot, până la sisteme industriale pentru fabricarea comercială a hidrogelurilor în regim continuu, Hielscher Ultrasonics acoperă cerințele procesului dumneavoastră.
Ultrasonicatoarele de calitate industrială pot furniza amplitudini foarte mari, care permit reacții fiabile de reticulare și polimerizare și dispersarea uniformă a nanoparticulelor. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în mod continuu, în regim de funcționare 24/7/365. Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode cu ultrasunete personalizate.

Solicitați-ne astăzi informații tehnice suplimentare, prețuri și o ofertă fără obligații. Personalul nostru cu experiență îndelungată vă va oferi cu plăcere consultanță!
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Hielscher SonoStation facilitează sonicarea loturilor de dimensiuni medii cu ajutorul unui reactor cu celulă de curgere. Sistemul compact SonoStation combină un rezervor de 38 litri cu agitator și o pompă cu cavitate progresivă, cu debit reglabil, care poate alimenta unul sau două reactoare ultrasonice cu celulă de curgere cu până la 3 litri pe minut.