Formularea cu ultrasunete a compozitelor armate
- Compozitele prezintă proprietăți unice ale materialului, cum ar fi stabilitatea termică, modulul de elasticitate, rezistența la tracțiune și rezistența la rupere semnificativ îmbunătățite, și sunt, prin urmare, utilizate pe scară largă în fabricarea a numeroase produse.
- S-a demonstrat că sonicarea produce nanocompozite de înaltă calitate cu CNT-uri, grafen etc. foarte bine dispersate.
- Echipamentele cu ultrasunete pentru formularea compozitelor armate sunt disponibile la scară industrială.
Nanocompozite
Nanocompozitele se remarcă prin proprietățile lor mecanice, electrice, termice, optice, electrochimice și/sau catalitice.
Datorită raportului excepțional de mare dintre suprafață și volum al fazei de armare și/sau raportului de aspect excepțional de mare, nanocompozitele sunt semnificativ mai performante decât compozitele convenționale. Nanoparticulele, cum ar fi silicea sferică, foile minerale, cum ar fi grafenul exfoliat sau argila, ori nanofibrele, cum ar fi nanotuburile de carbon sau fibrele obținute prin electrofilare, sunt frecvent utilizate pentru armare.
De exemplu, nanotuburile de carbon sunt adăugate pentru a îmbunătăți conductivitatea electrică și termică, iar nanosilicea este utilizată pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice, termice și de rezistență la apă. Alte tipuri de nanoparticule conferă proprietăți optice îmbunătățite, proprietăți dielectrice, rezistență la căldură sau proprietăți mecanice precum rigiditatea, rezistența mecanică și rezistența la coroziune și la deteriorări.
Exemple de nanocompozite formulate cu ultrasunete:
- nanotuburi de carbon (CNT) într-o matrice de vinil ester
- CNT-uri / cepe de carbon / nanodiamante într-o matrice metalică de nichel
- CNT-uri într-o matrice de aliaj de magneziu
- CNT-uri într-o matrice de alcool polivinilic (PVA)
- nanotub de carbon cu pereți multipli (MWCNT) într-o matrice de rășină epoxidică (folosind anhidrida metil-tetrahidroftalică (MTHPA) ca agent de întărire)
- oxid de grafen într-o matrice de poli(alcool vinilic) (PVA)
- nanoparticule de SiC într-o matrice de magneziu
- nanosilice (Aerosil) într-o matrice de polistiren
- oxid de fier magnetic într-o matrice de poliuretan (PU) flexibil
- oxid de nichel în grafit/poli(clorură de vinil)
- nanoparticule de dioxid de titan într-o matrice de acid poli(lactic-co-glicolic) (PLGA)
- nanohidroxiapatită într-o matrice de acid poli(lactic-co-glicolic) (PLGA)
Dispersarea cu ultrasunete
Parametrii procesului cu ultrasunete pot fi controlați cu exactitate și adaptați optim la compoziția materialului și la calitatea dorită a produsului final. Dispersarea cu ultrasunete este tehnica recomandată pentru încorporarea nanoparticulelor, cum ar fi CNT-urile sau grafenul, în nanocompozite. Testate îndelung la nivel științific și implementate în numeroase instalații de producție industrială, dispersarea și formularea cu ultrasunete a nanocompozitelor reprezintă o metodă bine consacrată. Experiența îndelungată a Hielscher în procesarea cu ultrasunete a nanomaterialelor asigură o consultanță temeinică, recomandarea unei configurații cu ultrasunete adecvate și asistență pe parcursul dezvoltării și optimizării procesului.
În majoritatea cazurilor, nanoparticulele de armare sunt dispersate în matrice în timpul procesării. Procentul masic (fracția masică) al nanomaterialului adăugat se situează în domeniul inferior, de ex. 0,5% până la 5%, deoarece dispersia uniformă obținută prin sonicare permite economisirea materialelor de umplutură de armare și o performanță de armare mai ridicată.
O aplicație tipică a ultrasunetelor în fabricație este formularea compozitelor de tip nanoparticule-rășină. Pentru a produce vinil ester armat cu CNT, sonicarea este utilizată pentru dispersarea și funcționalizarea CNT-urilor. Acești vinil esteri cu CNT se caracterizează prin proprietăți electrice și mecanice îmbunătățite.
Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre dispersarea CNT-urilor!
Nanoparticulă funcționalizată cu ultrasunete
Dispozitiv cu ultrasunete UIP1500hd cu reactor cu flux continuu
Grafen
Grafenul oferă proprietăți fizice excepționale, un raport de aspect ridicat și o densitate scăzută. Grafenul și oxidul de grafen sunt integrate într-o matrice compozită pentru a obține polimeri ușori, de înaltă rezistență. Pentru a obține armarea mecanică, foile / plachetele de grafen trebuie să fie dispersate foarte fin, deoarece foile de grafen aglomerate limitează drastic efectul de armare.
Cercetările științifice au arătat că amploarea îmbunătățirii depinde în principal de gradul de dispersie al foilor de grafen în matrice. Doar grafenul dispersat omogen produce efectele dorite. Din cauza hidrofobicității sale puternice și a atracției van der Waals, grafenul tinde să se agrege și să se aglomereze în fulgi formați din foi monostrat care interacționează slab.
În timp ce tehnicile de dispersare obișnuite adesea nu pot produce dispersii de grafen omogene și nedeteriorate, ultrasonicatoarele de mare putere produc dispersii de grafen de înaltă calitate. Ultrasonicatoarele Hielscher procesează fără dificultăți grafenul pur, oxidul de grafen și oxidul de grafen redus, de la concentrații scăzute la ridicate și de la volume mici la mari. Un solvent utilizat frecvent este N-metil-2-pirolidona (NMP), dar cu ultrasunete de mare putere, grafenul poate fi dispersat chiar și în solvenți slabi, cu punct de fierbere scăzut, cum ar fi acetona, cloroformul, IPA și ciclohexanona.
Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre exfolierea în vrac a grafenului!
Nanotuburi de carbon și alte nanomateriale
S-a demonstrat că ultrasunetele de putere duc la dispersii fine ale diverselor nanomateriale, inclusiv nanotuburi de carbon (CNT), SWNT, MWNT, fulerene, silice (SiO2), dioxid de titan (TiO2), argint (Ag), oxid de zinc (ZnO), celuloză nanofibrilată și multe altele. În general, sonicarea depășește performanța dispersoarelor convenționale și poate obține rezultate unice.
Pe lângă măcinarea și dispersarea nanoparticulelor, se obțin rezultate excelente prin sinteza nanoparticulelor prin precipitare cu ultrasunete (sinteză bottom-up). S-a observat că dimensiunea particulelor, de ex. în cazul magnetitei, al molibdatului de sodiu și zinc și al altora sintetizate cu ultrasunete, este mai mică în comparație cu cea obținută prin metoda convențională. Dimensiunea mai mică este atribuită vitezei de nucleație crescute și unor modele de amestecare mai bune datorită forfecării și turbulenței generate de cavitația ultrasonică.
Faceți clic aici pentru a afla mai multe despre precipitarea bottom-up cu ultrasunete!
Funcționalizarea particulelor cu ultrasunete
Suprafața specifică a unei particule crește odată cu reducerea dimensiunii. În special în nanotehnologie, manifestarea caracteristicilor materialului este semnificativ amplificată de suprafața mărită a particulei. Suprafața poate fi mărită și modificată cu ultrasunete prin atașarea unor molecule funcționale adecvate pe suprafața particulei. În ceea ce privește aplicarea și utilizarea nanomaterialelor, proprietățile de suprafață sunt la fel de importante ca proprietățile miezului particulei.
Particulele funcționalizate cu ultrasunete sunt utilizate pe scară largă în polimeri, compozite și biocompozite, nanofluide, dispozitive asamblate, nanomedicamente etc. Prin funcționalizarea particulelor, caracteristici precum stabilitatea, rezistența și rigiditatea, solubilitatea, polidispersitatea, fluorescența, magnetismul, superparamagnetismul, absorbția optică, densitatea electronică ridicată, fotoluminescența etc. sunt îmbunătățite drastic.
Particulele uzuale care sunt funcționalizate la scară comercială cu sistemele cu ultrasunete Hielscher includ CNT-uri, SWNT, MWNT, grafen, grafit, silice (SiO2), nanodiamante, magnetită (oxid de fier, Fe3O4), nanoparticule de argint, nanoparticule de aur, nanoparticule poroase și mezoporoase etc.
Faceți clic aici pentru a vedea note de aplicație selectate privind tratarea particulelor cu ultrasunete!
Dispersoare cu ultrasunete
Echipamentele de dispersare cu ultrasunete Hielscher sunt disponibile pentru laborator, pentru bancul de lucru și pentru producția industrială. Ultrasonicatoarele Hielscher sunt fiabile, robuste, ușor de operat și de curățat. Echipamentele sunt proiectate pentru funcționare 24/7 în condiții de solicitare intensă. Sistemele cu ultrasunete pot fi utilizate pentru procesarea în șarjă și în linie – flexibile și ușor de adaptat la procesul și cerințele dumneavoastră.
Capacități cu ultrasunete în șarjă și în linie
| Volumul șarjei | Debit | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 5 până la 200mL | 50 până la 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 până la 2L | 0,25 până la 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 până la 10L | 1 până la 8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 până la 30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | peste 30m3/hr | cluster de UIP10000 sau UIP16000 |
Dispozitiv de laborator cu ultrasunete pentru funcționalizarea particulelor
Literatură de specialitate/Referințe
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): „Investigarea performanței de inhibare a coroziunii a nanopigmentului de molibdat de sodiu și zinc preparat cu ultrasunete într-un strat de acoperire epoxidic-poliamidic bicomponent. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Prepararea unor noi nanocompozite magnetice pe bază de spumă poliuretanică utilizând nanoparticule de tip miez-înveliș. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Prepararea materialului compozit din oxid de grafen–polistiren. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.
Informații utile
Despre materialele compozite
Materialele compozite (cunoscute și ca materiale de compoziție) sunt descrise ca un material realizat din doi sau mai mulți constituenți care se caracterizează prin proprietăți fizice sau chimice semnificativ diferite. Atunci când acești constituenți sunt combinați, se obține un material nou – așa-numitul compozit –, care prezintă caracteristici diferite de cele ale componentelor individuale. Componentele individuale rămân separate și distincte în cadrul structurii finite.
Noul material are proprietăți mai bune, de ex. este mai solid, mai ușor, mai rezistent sau mai puțin costisitor în comparație cu materialele convenționale. Îmbunătățirile aduse de nanocompozite variază de la proprietăți mecanice, electrice / conductive, termice, optice, electrochimice până la proprietăți catalitice.
Materialele compozite proiectate tipice includ:
- biocompozite
- materiale plastice armate, cum ar fi polimerii armați cu fibre
- compozite metalice
- compozite ceramice (compozite cu matrice ceramică și cu matrice metalică)
Materialele compozite sunt utilizate în general pentru materiale de construcție și de structură, cum ar fi carenele de ambarcațiuni, blaturile, caroseriile auto, căzile de baie, rezervoarele de stocare, imitațiile de granit și chiuvetele din marmură artificială, precum și în navele spațiale și aeronave.
Compozitele pot utiliza, de asemenea, fibre metalice care armează alte metale, ca în cazul compozitelor cu matrice metalică (MMC) sau al compozitelor cu matrice ceramică (CMC), care includ osul (hidroxiapatită armată cu fibre de colagen), cermetul (ceramică și metal) și betonul.
Compozitele cu matrice organică/agregat ceramic includ betonul asfaltic, betonul polimeric, asfaltul turnat, mastic roller hybrid, compozitul dentar, spuma sintactică și sideful.
Despre efectele ultrasunetelor asupra particulelor
Proprietățile particulelor pot fi observate atunci când dimensiunea particulelor este redusă la un anumit nivel (cunoscut ca dimensiune critică). Când dimensiunile particulelor ating nivelul nanometric, interacțiunile la interfețele de fază se îmbunătățesc considerabil, ceea ce este esențial pentru ameliorarea caracteristicilor materialelor. Astfel, raportul suprafață : volum al materialelor utilizate pentru armare în nanocompozite este cel mai semnificativ. Nanocompozitele oferă avantaje tehnologice și economice pentru aproape toate sectoarele industriei, inclusiv sectoarele aerospațial, auto, electronic, biotehnologic, farmaceutic și medical. Un alt mare avantaj este caracterul lor ecologic.
Ultrasunetele de putere îmbunătățesc umectabilitatea și omogenizarea dintre matrice și particule prin amestecarea și dispersarea intensă – generate de cavitația ultrasonică. Deoarece sonicarea este cea mai utilizată și cea mai de succes metodă de dispersare în cazul nanomaterialelor, sistemele cu ultrasunete Hielscher sunt instalate în laboratoare, instalații pilot și unități de producție din întreaga lume.