Ультразвуковое получение армированных композитов

• Композиты обладают уникальными свойствами материала, такими как значительно повышенные термостабильность, модуль упругости, прочность при растяжении и прочность при разрушении, поэтому они широко используются при производстве разнообразных изделий.
• Доказано, что обработка ультразвуком позволяет получать высококачественные нанокомпозиты с высокодиспергированными CNT, графеном и т. д.
• Ультразвуковое оборудование для получения армированных композитов доступно в промышленном масштабе.

Нанокомпозиты

Нанокомпозиты отличаются превосходными механическими, электрическими, тепловыми, оптическими, электрохимическими и/или каталитическими свойствами.
Благодаря исключительно высокому отношению площади поверхности к объёму армирующей фазы и/или исключительно высокому отношению длины к поперечному размеру нанокомпозиты значительно превосходят обычные композиты по эксплуатационным характеристикам. Для армирования часто используются наночастицы, такие как сферические частицы диоксида кремния, минеральные листы, такие как расслоённый графен или глина, либо нановолокна, такие как углеродные нанотрубки или волокна, полученные электроформованием.
Например, углеродные нанотрубки добавляют для повышения электро- и теплопроводности, а наночастицы диоксида кремния используют для улучшения механических и тепловых свойств, а также водостойкости. Другие виды наночастиц улучшают оптические и диэлектрические свойства, теплостойкость или механические свойства, такие как жёсткость, прочность и устойчивость к коррозии и повреждениям.

Примеры нанокомпозитов, полученных с помощью ультразвука:

• углеродные нанотрубки (CNT) в винилэфирной матрице
• CNT / углеродные луковичные структуры / наноалмазы в металлической никелевой матрице
• CNT в матрице из магниевого сплава
• CNT в матрице из поливинилового спирта (PVA)
• многостенная углеродная нанотрубка (MWCNT) в матрице из эпоксидной смолы (с использованием метилтетрагидрофталевого ангидрида (MTHPA) в качестве отвердителя)
• оксид графена в матрице из поливинилового спирта (PVA)
• наночастицы SiC в магниевой матрице
• наночастицы диоксида кремния (Aerosil) в полистирольной матрице
• магнитный оксид железа в матрице из гибкого полиуретана (PU)
• оксид никеля в графите/поливинилхлориде
• наночастицы диоксида титана в матрице из сополимера молочной и гликолевой кислот (PLGA)
• наногидроксиапатит в матрице из сополимера молочной и гликолевой кислот (PLGA)

Ультразвуковое диспергирование

Параметры ультразвукового процесса можно точно контролировать и оптимально адаптировать к составу материала и желаемому качеству конечного продукта. Ультразвуковое диспергирование является рекомендуемым методом введения наночастиц, таких как CNT или графен, в нанокомпозиты. Ультразвуковое диспергирование и получение нанокомпозитов – хорошо зарекомендовавший себя метод, прошедший многолетние научные испытания и внедрённый на многих промышленных производствах. Многолетний опыт Hielscher в ультразвуковой обработке наноматериалов обеспечивает всестороннее консультирование, рекомендации по выбору подходящей ультразвуковой установки и помощь при разработке и оптимизации процесса.
В большинстве случаев армирующие наночастицы диспергируют в матрице в ходе обработки. Процентное содержание по массе (массовая доля) добавляемого наноматериала находится в нижней части диапазона, например от 0,5% до 5%, поскольку равномерное диспергирование, достигаемое при обработке ультразвуком, позволяет экономить армирующие наполнители и повышать эффективность армирования.
Типичным применением ультразвука в производстве является получение композита из наночастиц и смолы. Для получения винилэфира, армированного CNT, обработку ультразвуком используют для диспергирования и функционализации CNT. Эти винилэфирные материалы с CNT характеризуются улучшенными электрическими и механическими свойствами.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о диспергировании CNT!

Графен

Графен обладает исключительными физическими свойствами, высоким отношением длины к поперечному размеру и низкой плотностью. Графен и оксид графена вводят в композитную матрицу для получения лёгких высокопрочных полимеров. Для механического армирования листы / пластинки графена должны быть очень тонко диспергированы, поскольку агломерированные листы графена резко ограничивают армирующий эффект.
Научные исследования показали, что степень улучшения в основном зависит от степени диспергирования листов графена в матрице. Только однородно диспергированный графен обеспечивает желаемые эффекты. Из-за выраженной гидрофобности и ван-дер-ваальсового притяжения графен склонен агрегировать и агломерировать в хлопья из слабо взаимодействующих однослойных листов.
В то время как обычные методы диспергирования часто не позволяют получать однородные дисперсии неповреждённого графена, мощные ультразвуковые устройства обеспечивают высококачественные дисперсии графена. Ультразвуковые устройства Hielscher без затруднений обрабатывают исходный графен, оксид графена и восстановленный оксид графена при концентрациях от низких до высоких и в объёмах от малых до больших. Часто используемым растворителем является N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), однако с помощью мощного ультразвука графен можно диспергировать даже в плохих растворителях с низкой температурой кипения, таких как ацетон, хлороформ, IPA и циклогексанон.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о расслоении графена в больших объёмах!

Углеродные нанотрубки и другие наноматериалы

Доказано, что мощный ультразвук позволяет получать тонкодисперсные дисперсии различных наноматериалов, включая углеродные нанотрубки (CNT), SWNT, MWNT, фуллерены, диоксид кремния (SiO₂), диоксид титана (TiO₂), серебро (Ag), оксид цинка (ZnO), нанофибриллированную целлюлозу и многие другие. В целом обработка ультразвуком превосходит обычные диспергаторы по эффективности и может обеспечивать уникальные результаты.
Помимо измельчения и диспергирования наночастиц, превосходные результаты достигаются при синтезе наночастиц посредством ультразвукового осаждения (синтез «снизу вверх»). Было отмечено, что размер частиц, например магнетита, молибдата натрия и цинка и других веществ, синтезированных с помощью ультразвука, меньше, чем размер частиц, полученных обычным методом. Меньший размер объясняется повышенной скоростью зародышеобразования и улучшенными условиями перемешивания вследствие сдвига и турбулентности, создаваемых ультразвуковой кавитацией.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом осаждении методом «снизу вверх»!

Ультразвуковая функционализация частиц

Удельная площадь поверхности частицы увеличивается с уменьшением её размера. Особенно в нанотехнологии увеличение площади поверхности частицы значительно усиливает проявление характеристик материала. Площадь поверхности можно увеличить и модифицировать с помощью ультразвука путём присоединения соответствующих функциональных молекул к поверхности частицы. При применении и использовании наноматериалов свойства поверхности столь же важны, как и свойства ядра частицы.
Частицы, функционализированные с помощью ультразвука, широко используются в полимерах, композитах и биокомпозитах, наножидкостях, устройствах, полученных сборкой, нанолекарствах и т. д. Функционализация частиц резко улучшает такие характеристики, как стабильность, прочность и жёсткость, растворимость, полидисперсность, флуоресценция, магнетизм, суперпарамагнетизм, оптическое поглощение, высокая электронная плотность, фотолюминесценция и т. д.
К распространённым частицам, функционализируемым в коммерческих целях с помощью ультразвуковых систем Hielscher, относятся CNT, SWNT, MWNT, графен, графит, диоксид кремния (SiO₂), наноалмазы, магнетит (оксид железа, Fe₃O₄), наночастицы серебра, наночастицы золота, пористые и мезопористые наночастицы и т. д.
Нажмите здесь, чтобы ознакомиться с избранными материалами по применению ультразвуковой обработки частиц!

Ультразвуковые диспергаторы

Ультразвуковое оборудование Hielscher для диспергирования доступно для лабораторной работы, настольных установок и промышленного производства. Ультразвуковые устройства Hielscher надёжны, прочны, просты в эксплуатации и очистке. Оборудование рассчитано на работу 24/7 в тяжёлых условиях эксплуатации. Ультразвуковые системы можно использовать для периодической и поточной обработки – они гибки и легко адаптируются к вашему процессу и требованиям.

Возможности ультразвуковых систем для периодической и поточной обработки