Výhodná výroba hydrogélov pomocou ultrazvuku

Sonikácia je vysoko účinná, spoľahlivá a jednoduchá technika na prípravu vysokovýkonných hydrogélov. Tieto hydrogély ponúkajú vynikajúce materiálové vlastnosti, ako sú absorpčná kapacita, viskoelasticita, mechanická pevnosť, modul pružnosti v tlaku a schopnosť samohojenia.

Ultrazvuková polymerizácia a dispergácia pri výrobe hydrogélov

Hydrogély sú hydrofilné trojrozmerné polymérne siete, ktoré dokážu absorbovať veľké množstvá vody alebo kvapalín. Hydrogély vykazujú mimoriadnu schopnosť napučiavania. Medzi bežné stavebné zložky hydrogélov patria polyvinylalkohol, polyetylénglykol, polyakrylát sodný, akrylátové polyméry, karboméry, polysacharidy alebo polypeptidy s veľkým počtom hydrofilných skupín a prírodné proteíny, ako sú kolagén, želatína a fibrín.
Takzvané hybridné hydrogély pozostávajú z rôznych chemicky, funkčne a morfologicky odlišných materiálov, ako sú proteíny, peptidy alebo nanoštruktúry / mikroštruktúry.
Ultrazvuková dispergácia sa široko využíva ako vysoko účinná a spoľahlivá technika na homogénne zapracovanie nanomateriálov, ako sú uhlíkové nanorúrky (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), nanokryštály celulózy, chitínové nanovlákna, oxid titaničitý, nanočastice striebra, proteíny a ďalšie mikroštruktúry alebo nanoštruktúry, do polymérnej matrice hydrogélov. Vďaka tomu je sonikácia jedným z hlavných nástrojov na výrobu vysokovýkonných hydrogélov s mimoriadnymi vlastnosťami.

Čo ukazuje výskum – ultrazvuková príprava hydrogélov

Po prvé, ultrazvuk podporuje polymerizačné a sieťovacie reakcie počas tvorby hydrogélov.
Po druhé, ultrazvuk sa osvedčil ako spoľahlivá a účinná dispergačná technika na výrobu hydrogélov a nanokompozitných hydrogélov.

Ultrazvukové sieťovanie a polymerizácia hydrogélov

Ultrazvuk napomáha tvorbe polymérnych sietí počas syntézy hydrogélov prostredníctvom tvorby voľných radikálov. Intenzívne ultrazvukové vlny vytvárajú akustickú kavitáciu, ktorá spôsobuje vznik vysokých šmykových síl, šmykové namáhanie molekúl a tvorbu voľných radikálov.

Cass et al. (2010) pripravili viacero „akrylových hydrogélov ultrazvukovou polymerizáciou monomérov a makromonomérov rozpustných vo vode. Ultrazvuk sa použil na tvorbu iniciačných radikálov vo viskóznych vodných roztokoch monomérov s použitím prísad glycerolu, sorbitolu alebo glukózy v otvorenom systéme pri 37°C. Prísady rozpustné vo vode boli nevyhnutné na výrobu hydrogélov, pričom najúčinnejší bol glycerol. Hydrogély sa pripravili z monomérov 2-hydroxyetylmetakrylátu, poly(etylénglykol)dimetakrylátu, dextránmetakrylátu, kyseliny akrylovej/etylénglykoldimetakrylátu a akrylamidu/bis-akrylamidu.“ [Cass et al. 2010] Zistilo sa, že aplikácia ultrazvuku pomocou sondového ultrazvukového prístroja je účinnou metódou polymerizácie vinylových monomérov rozpustných vo vode a následnej prípravy hydrogélov. Ultrazvukom iniciovaná polymerizácia prebieha rýchlo bez prítomnosti chemického iniciátora.
Úplný protokol štúdie nájdete tu!
 

Ultrazvukové dispergovanie pyrogénneho oxidu kremičitého: Ultrazvukový homogenizátor Hielscher UP400S rýchlo a účinne disperguje práškový oxid kremičitý na jednotlivé nanočastice.

Prečítajte si viac o ultrazvukovej syntéze nanokompozitných hydrogélov a nanogélov!

Ultrazvuk je kompatibilný so všetkými druhmi polymérov a biopolymérov a umožňuje vystužovať hybridné hydrogély nanoštruktúrovanými materiálmi, ako sú nanočastice, nanokryštály alebo nanovlákna. Vystužovanie hydrogélov rôznymi nanomateriálmi umožňuje upravovať a riadiť fyzikálno-chemické a reomechanické vlastnosti nanokompozitných hydrogélov, keďže mikroštruktúry sú kľúčovým faktorom určujúcim výsledné materiálové vlastnosti.

Výroba hydrogélu poly(akrylamid-ko-kyselina itakónová) – MWCNT pomocou sonikácie

Mohammadinezhada et al. (2018) úspešne vyrobili superabsorpčný hydrogélový kompozit obsahujúci poly(akrylamid-ko-kyselina itakónová) a viacstenné uhlíkové nanorúrky (MWCNT). Ultrazvukové spracovanie sa uskutočnilo pomocou ultrazvukového zariadenia Hielscher UP200S. Stabilita hydrogélu sa zvyšovala so zvyšujúcim sa podielom MWCNT, čo by sa mohlo pripísať hydrofóbnej povahe MWCNT, ako aj zvýšeniu hustoty sieťovacieho činidla. Schopnosť hydrogélu P(AAm-co-IA) zadržiavať vodu (WRC) sa v prítomnosti MWCNT (10 hmotn. %) tiež zvýšila. V tejto štúdii boli účinky ultrazvukového spracovania vyhodnotené ako lepšie z hľadiska rovnomerného rozloženia uhlíkových nanorúrok na povrchu polyméru. MWCNT zostali neporušené bez akéhokoľvek narušenia polymérnej štruktúry. Okrem toho sa zvýšila pevnosť získaného nanokompozitu, jeho schopnosť zadržiavať vodu a absorpcia ďalších rozpustných látok, ako je Pb (II). Sonikácia rozštiepila iniciátor a pri zvyšujúcej sa teplote dispergovala MWCNT ako vynikajúce plnivo v polymérnych reťazcoch.
Výskumníci dospeli k záveru, že tieto „reakčné podmienky nemožno dosiahnuť konvenčnými metódami a nemožno dosiahnuť ani homogenitu a dobré dispergovanie častíc v hostiteľskej matrici. Okrem toho proces sonikácie oddeľuje nanočastice na jednotlivé častice, čo miešanie nedokáže. Ďalším mechanizmom zmenšovania veľkosti je účinok silných akustických vĺn na sekundárne väzby, ako sú vodíkové väzby. Toto ožarovanie narúša vodíkové väzby medzi časticami a následne rozdeľuje agregované častice, čím zvyšuje počet voľných adsorpčných skupín, ako sú -OH, a ich dostupnosť. Tento významný jav preto robí zo sonikácie lepšiu metódu v porovnaní s inými metódami, ako je magnetické miešanie používané v literatúre.“ [Mohammadinezhada et al., 2018]

Vysokovýkonné ultrazvukové procesory na syntézu hydrogélov

Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia na syntézu hydrogélov. Od malých a stredne veľkých ultrazvukových procesorov na výskum a vývoj a na poloprevádzkové použitie až po priemyselné systémy na komerčnú výrobu hydrogélov v kontinuálnom režime – Hielscher Ultrasonics pokrýva vaše procesné požiadavky.
Ultrazvukové procesory priemyselnej triedy dokážu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy, ktoré umožňujú spoľahlivé sieťovacie a polymerizačné reakcie a rovnomerné dispergovanie nanočastíc. Amplitúdy až do 200µm možno ľahko udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7/365. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru.

Požiadajte nás ešte dnes o ďalšie technické informácie, ceny a nezáväznú cenovú ponuku. Naši pracovníci s dlhoročnými skúsenosťami vám radi poradia!
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových procesorov:

Hielscher SonoStation uľahčuje sonikáciu stredne veľkých dávok v prietokovom reaktore. Kompaktná SonoStation spája 38-litrovú nádrž s miešadlom a regulovateľné vretenové čerpadlo, ktoré dokáže privádzať až 3 litre za minútu do jedného alebo dvoch ultrazvukových prietokových reaktorov.