Преимущества производства гидрогелей с помощью обработки ультразвуком

Обработка ультразвуком – высокоэффективный, надёжный и простой метод получения гидрогелей с высокими эксплуатационными характеристиками. Эти гидрогели обладают превосходными свойствами материала, такими как поглощающая способность, вязкоупругость, механическая прочность, модуль сжатия и способность к самовосстановлению.

Ультразвуковая полимеризация и диспергирование для производства гидрогелей

Гидрогели представляют собой гидрофильные трёхмерные полимерные сетки, способные поглощать большие количества воды или жидкостей. Гидрогели обладают исключительной способностью к набуханию. К распространённым структурным компонентам гидрогелей относятся поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль, полиакрилат натрия, акрилатные полимеры, карбомеры, полисахариды или полипептиды с большим числом гидрофильных групп, а также природные белки, такие как коллаген, желатин и фибрин.
Так называемые гибридные гидрогели состоят из различных материалов, отличающихся по химическим, функциональным и морфологическим характеристикам, таких как белки, пептиды или нано- / микроструктуры.
Ультразвуковое диспергирование широко применяется как высокоэффективный и надёжный метод равномерного распределения наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), нанокристаллы целлюлозы, хитиновые нановолокна, диоксид титана, наночастицы серебра, белки и другие микро- или наноструктуры, в полимерной матрице гидрогелей. Это делает обработку ультразвуком одним из основных инструментов получения гидрогелей с высокими эксплуатационными характеристиками и исключительными свойствами.

Что показывают исследования – получение гидрогелей с помощью ультразвука

Во-первых, обработка ультразвуком способствует реакциям полимеризации и сшивания при формировании гидрогелей.
Во-вторых, обработка ультразвуком зарекомендовала себя как надёжный и эффективный метод диспергирования при производстве гидрогелей и нанокомпозитных гидрогелей.

Ультразвуковое сшивание и полимеризация гидрогелей

Обработка ультразвуком способствует формированию полимерных сеток при синтезе гидрогелей благодаря образованию свободных радикалов. Интенсивные ультразвуковые волны создают акустическую кавитацию, которая вызывает высокие сдвиговые усилия, сдвиг на молекулярном уровне и образование свободных радикалов.

Cass et al. (2010) получили несколько акриловых гидрогелей: «Акриловые гидрогели были получены путём ультразвуковой полимеризации водорастворимых мономеров и макромономеров. Ультразвук использовали для образования инициирующих радикалов в вязких водных растворах мономеров с добавками глицерина, сорбита или глюкозы в открытой системе при 37°C. Водорастворимые добавки были необходимы для получения гидрогелей, причём наиболее эффективным был глицерин. Гидрогели получали из мономеров: 2-hydroxyethyl methacrylate, диметакрилата поли(этиленгликоля), метакрилата декстрана, акриловой кислоты/диметакрилата этиленгликоля и акриламида/бис-акриламида». [Cass et al. 2010] Применение ультразвука с помощью зондового ультразвукового гомогенизатора оказалось эффективным методом полимеризации водорастворимых виниловых мономеров и последующего получения гидрогелей. Полимеризация, инициированная ультразвуком, протекает быстро в отсутствие химического инициатора.
Полный протокол исследования доступен здесь!
 

Ультразвуковое диспергирование пирогенного диоксида кремния: ультразвуковой гомогенизатор Hielscher UP400S быстро и эффективно диспергирует порошок диоксида кремния до отдельных наночастиц.

Узнайте больше об ультразвуковом синтезе нанокомпозитных гидрогелей и наногелей!

Обработка ультразвуком совместима со всеми видами полимеров и биополимеров и позволяет армировать гибридные гидрогели наноструктурированными материалами, такими как наночастицы, нанокристаллы или нановолокна. Армирование гидрогелей различными наноматериалами позволяет изменять и контролировать физико-химические и реомеханические свойства нанокомпозитных гидрогелей, поскольку микроструктуры являются ключевым фактором, определяющим свойства получаемого материала.

Получение гидрогеля поли(акриламид-со-итаконовая кислота) – MWCNT с помощью обработки ультразвуком

Mohammadinezhada et al. (2018) успешно получили суперабсорбирующий гидрогелевый композит, содержащий поли(акриламид-со-итаконовая кислота) и многостенные углеродные нанотрубки (MWCNTs). Обработку ультразвуком проводили с помощью ультразвукового устройства Hielscher UP200S. Стабильность гидрогеля повышалась с увеличением доли MWCNTs, что может быть обусловлено гидрофобной природой MWCNTs, а также увеличением плотности сшивающего агента. Водоудерживающая способность (WRC) гидрогеля P(AAm-co-IA) также повышалась в присутствии MWCNT (10 wt%). В этом исследовании воздействие обработки ультразвуком было признано превосходящим другие методы в отношении равномерного распределения углеродных нанотрубок на поверхности полимера. MWCNTs оставались целыми, без каких-либо нарушений полимерной структуры. Кроме того, увеличивались прочность полученного нанокомпозита, его водоудерживающая способность и поглощение других растворимых веществ, таких как Pb (II). Обработка ультразвуком расщепляла инициатор и диспергировала MWCNTs как превосходный наполнитель в полимерных цепях при повышении температуры.
Исследователи заключают, что эти «условия реакции невозможно обеспечить обычными методами, и невозможно добиться однородности и хорошего диспергирования частиц в матрице. Кроме того, обработка ультразвуком разделяет наночастицы на отдельные частицы, тогда как перемешивание не позволяет этого добиться. Другой механизм уменьшения размера заключается в воздействии мощных акустических волн на вторичные связи, такие как водородные: это облучение разрушает водородные связи между частицами и затем разъединяет агрегированные частицы, увеличивая число свободных адсорбирующих групп, таких как -OH, и их доступность. Таким образом, это важное явление делает обработку ультразвуком методом, превосходящим другие методы, например магнитное перемешивание, применяемое в опубликованных исследованиях». [Mohammadinezhada et al., 2018]

Высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для синтеза гидрогелей

Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительное ультразвуковое оборудование для синтеза гидрогелей. От малых и средних ультразвуковых гомогенизаторов для исследований и разработок и опытных установок до промышленных систем для коммерческого производства гидрогелей в непрерывном режиме – Hielscher Ultrasonics обеспечивает выполнение требований вашего процесса.
Ультразвуковые гомогенизаторы промышленного класса могут обеспечивать очень высокие амплитуды, позволяющие надёжно проводить реакции сшивания и полимеризации и равномерно диспергировать наночастицы. Непрерывную работу с амплитудами до 200µm можно легко поддерживать в режиме 24/7/365. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу.

Обратитесь к нам сегодня, чтобы получить дополнительную техническую информацию, сведения о ценах и коммерческое предложение, не налагающее обязательств. Наши сотрудники с многолетним опытом будут рады проконсультировать вас!
В таблице ниже приведена ориентировочная производительность наших ультразвуковых гомогенизаторов:

Hielscher SonoStation упрощает ультразвуковую обработку партий среднего объёма в проточном реакторе. Компактная SonoStation объединяет ёмкость объёмом 38 литров с мешалкой и регулируемый эксцентриковый винтовой насос, который может подавать до 3 литров в минуту в один или два ультразвуковых проточных реактора.