Ultrazvuková príprava vystužených kompozitov
- Kompozity vykazujú jedinečné materiálové vlastnosti, ako sú výrazne zvýšená tepelná stabilita, modul pružnosti, pevnosť v ťahu a lomová pevnosť, a preto sa široko používajú pri výrobe rozmanitých produktov.
- Je preukázané, že sonikáciou sa vytvárajú vysokokvalitné nanokompozity s vysoko dispergovanými CNT, grafénom atď.
- Ultrazvukové zariadenia na prípravu vystužených kompozitov sú dostupné v priemyselnom meradle.
Nanokompozity
Nanokompozity vynikajú svojimi mechanickými, elektrickými, tepelnými, optickými, elektrochemickými a/alebo katalytickými vlastnosťami.
Vďaka mimoriadne vysokému pomeru povrchu k objemu výstužnej fázy a/alebo mimoriadne vysokému pomeru strán sú nanokompozity výrazne výkonnejšie než konvenčné kompozity. Na vystuženie sa často používajú nanočastice, napríklad sférický oxid kremičitý, minerálne vrstvy, napríklad exfoliovaný grafén alebo íl, či nanovlákna, napríklad uhlíkové nanorúrky alebo vlákna pripravené elektrostatickým zvlákňovaním.
Napríklad uhlíkové nanorúrky sa pridávajú na zlepšenie elektrickej a tepelnej vodivosti, zatiaľ čo nanooxid kremičitý sa používa na zlepšenie mechanických a tepelných vlastností a odolnosti voči vode. Iné druhy nanočastíc zlepšujú optické vlastnosti, dielektrické vlastnosti, tepelnú odolnosť alebo mechanické vlastnosti, ako sú tuhosť, pevnosť a odolnosť voči korózii a poškodeniu.
Príklady nanokompozitov pripravených ultrazvukom:
- uhlíkové nanorúrky (CNT) vo vinylesterovej matrici
- CNT / uhlíkové cibuľky / nanodiamanty v niklovej kovovej matrici
- CNT v matrici zo zliatiny horčíka
- CNT v matrici z polyvinylalkoholu (PVA)
- viacstenná uhlíková nanorúrka (MWCNT) v matrici z epoxidovej živice (s použitím anhydridu kyseliny metyltetrahydroftalovej (MTHPA) ako vytvrdzovacieho činidla)
- oxid grafénu v matrici z poly(vinylalkoholu) (PVA)
- nanočastice SiC v horčíkovej matrici
- nanooxid kremičitý (Aerosil) v polystyrénovej matrici
- magnetický oxid železa v pružnej polyuretánovej (PU) matrici
- oxid niklu v grafite/poly(vinylchloride)
- nanočastice oxidu titaničitého v matrici z kopolyméru kyseliny mliečnej a glykolovej (PLGA)
- nanohydroxyapatit v matrici z kopolyméru kyseliny mliečnej a glykolovej (PLGA)
Ultrazvuková dispergácia
Parametre ultrazvukového procesu možno presne regulovať a optimálne prispôsobiť zloženiu materiálu a požadovanej kvalite výsledného produktu. Ultrazvuková dispergácia je odporúčaná technika na začleňovanie nanočastíc, ako sú CNT alebo grafén, do nanokompozitov. Ultrazvuková dispergácia a príprava nanokompozitov je osvedčená metóda, ktorá bola dlhodobo vedecky testovaná a zavedená v mnohých priemyselných výrobných prevádzkach. Dlhoročné skúsenosti spoločnosti Hielscher s ultrazvukovým spracovaním nanomateriálov zaručujú dôkladné poradenstvo, odporúčanie vhodnej ultrazvukovej zostavy a pomoc pri vývoji a optimalizácii procesu.
Výstužné nanočastice sa väčšinou dispergujú do matrice počas spracovania. Hmotnostné percento (hmotnostný podiel) pridaného nanomateriálu sa pohybuje v nízkom rozsahu, napr. od 0,5% do 5%, pretože rovnomerná dispergácia dosiahnutá sonikáciou umožňuje úsporu výstužných plnív a vyššiu účinnosť vystuženia.
Typickým využitím ultrazvuku vo výrobe je príprava kompozitu z nanočastíc a živice. Pri výrobe vinylesteru vystuženého CNT sa sonikácia používa na dispergáciu a funkcionalizáciu CNT. Tieto vinylestery s CNT sa vyznačujú zlepšenými elektrickými a mechanickými vlastnosťami.
Kliknite sem a prečítajte si viac o dispergácii CNT!
Grafén
Grafén ponúka výnimočné fyzikálne vlastnosti, vysoký pomer strán a nízku hustotu. Grafén a oxid grafénu sa začleňujú do kompozitnej matrice s cieľom získať ľahké polyméry s vysokou pevnosťou. Na dosiahnutie mechanického vystuženia musia byť grafénové vrstvy / doštičky veľmi jemne dispergované, pretože aglomerované grafénové vrstvy výrazne obmedzujú vystužujúci účinok.
Vedecký výskum ukázal, že rozsah zlepšenia závisí prevažne od stupňa dispergácie grafénových vrstiev v matrici. Iba homogénne dispergovaný grafén prináša požadované účinky. Vzhľadom na svoju silnú hydrofóbnosť a van der Waalsove príťažlivé sily má grafén sklon agregovať a aglomerovať do vločiek tvorených jednovrstvovými plátkami so slabými vzájomnými interakciami.
Zatiaľ čo bežné dispergačné techniky často nedokážu vytvoriť homogénne disperzie nepoškodeného grafénu, vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia vytvárajú vysokokvalitné grafénové disperzie. Ultrazvukové zariadenia Hielscher bez problémov spracúvajú neupravený grafén, oxid grafénu a redukovaný oxid grafénu od nízkych po vysoké koncentrácie a od malých po veľké objemy. Bežne používaným rozpúšťadlom je N-metyl-2-pyrolidón (NMP), ale pomocou vysokovýkonného ultrazvuku možno grafén dispergovať dokonca aj v slabých rozpúšťadlách s nízkym bodom varu, ako sú acetón, chloroform, IPA a cyklohexanón.
Kliknite sem a prečítajte si viac o exfoliácii grafénu vo veľkom objeme!
Uhlíkové nanorúrky a ďalšie nanomateriály
Je preukázané, že výkonový ultrazvuk vytvára jemné disperzie rôznych nanomateriálov vrátane uhlíkových nanorúrok (CNTs), SWNTs, MWNTs, fullerénov, oxidu kremičitého (SiO2), oxidu titaničitého (TiO2), striebra (Ag), oxidu zinočnatého (ZnO), nanofibrilovanej celulózy a mnohých ďalších. Sonikácia vo všeobecnosti prekonáva konvenčné dispergátory a môže dosiahnuť jedinečné výsledky.
Okrem mletia a dispergácie nanočastíc sa vynikajúce výsledky dosahujú aj syntézou nanočastíc prostredníctvom ultrazvukového zrážania (syntéza zdola nahor). Pozorovalo sa, že veľkosť častíc, napr. ultrazvukom syntetizovaného magnetitu, molybdénanu sodno-zinočnatého a ďalších látok, je menšia v porovnaní s veľkosťou dosiahnutou konvenčnou metódou. Menšia veľkosť sa pripisuje zvýšenej rýchlosti nukleácie a lepšiemu premiešavaniu v dôsledku šmyku a turbulencií vyvolaných ultrazvukovou kavitáciou.
Kliknite sem a dozviete sa viac o ultrazvukovom zrážaní zdola nahor!
Ultrazvuková funkcionalizácia častíc
Merný povrch častice sa zväčšuje so zmenšovaním jej veľkosti. Najmä v nanotechnológii sa prejav materiálových vlastností výrazne zosilňuje zväčšením povrchu častice. Povrch možno ultrazvukom zväčšiť a modifikovať naviazaním vhodných funkčných molekúl na povrch častice. Pri aplikácii a používaní nanomateriálov sú povrchové vlastnosti rovnako dôležité ako vlastnosti jadra častice.
Ultrazvukom funkcionalizované častice sa široko používajú v polyméroch, kompozitoch a biokompozitoch, nanokvapalinách, zostavených zariadeniach, nanoliečivách atď. Funkcionalizácia častíc výrazne zlepšuje vlastnosti, ako sú stabilita, pevnosť a tuhosť, rozpustnosť, polydisperzita, fluorescencia, magnetizmus, superparamagnetizmus, optická absorpcia, vysoká elektrónová hustota, fotoluminiscencia atď.
Medzi bežné častice, ktoré sa komerčne funkcionalizujú ultrazvukovými systémami Hielscher, patria CNTs, SWNTs, MWNTs, grafén, grafit, oxid kremičitý (SiO2), nanodiamanty, magnetit (oxid železa, Fe3O4), nanočastice striebra, nanočastice zlata, porézne a mezoporézne nanočastice atď.
Kliknite sem a pozrite si vybrané aplikačné poznámky k ultrazvukovému spracovaniu častíc!
Ultrazvukové dispergátory
Ultrazvukové dispergačné zariadenia Hielscher sú dostupné pre laboratóriá, poloprevádzku a priemyselnú výrobu. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú spoľahlivé, robustné a ľahko sa obsluhujú a čistia. Zariadenia sú navrhnuté na nepretržitú prevádzku 24/7 v náročných podmienkach. Ultrazvukové systémy možno používať na dávkové aj kontinuálne spracovanie priamo vo výrobnej linke – sú flexibilné a ľahko sa prispôsobujú vášmu procesu a požiadavkám.
Kapacity ultrazvukového dávkového a kontinuálneho spracovania
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 5 až 200mL | 50 až 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 až 2L | 0,25 až 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 až 10L | 1 až 8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 až 30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | viac ako 30m3/hr | zoskupenie zariadení UIP10000 alebo UIP16000 |
Laboratórne ultrazvukové zariadenie na funkcionalizáciu častíc
Literatúra / referencie
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): „Skúmanie účinnosti inhibície korózie ultrazvukovo pripraveného nanopigmentu molybdénanu sodno-zinočnatého v dvojzložkovom epoxidovo-polyamidovom nátere. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833–852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Príprava nových magnetických nanokompozitov z polyuretánovej peny pomocou nanočastíc so štruktúrou jadro–obal. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Príprava kompozitného materiálu z oxidu grafénu a polystyrénu. 3. medzinárodná konferencia o životnom prostredí, chémii a biológii. IPCBEE vol.78, 2014.
Užitočné fakty
O kompozitných materiáloch
Kompozitné materiály (známe aj ako zložené materiály) sa opisujú ako materiály vyrobené z dvoch alebo viacerých zložiek, ktoré sa vyznačujú výrazne odlišnými fyzikálnymi alebo chemickými vlastnosťami. Spojením týchto zložkových materiálov vzniká nový materiál – takzvaný kompozit – ktorý vykazuje iné vlastnosti ako jednotlivé zložky. Jednotlivé zložky zostávajú v hotovej štruktúre oddelené a odlíšiteľné.
Nový materiál má v porovnaní s konvenčnými materiálmi lepšie vlastnosti, napr. je pevnejší, ľahší, odolnejší alebo lacnejší. Zlepšenia vlastností nanokompozitov siahajú od mechanických, elektrických / vodivostných, tepelných, optických a elektrochemických až po katalytické vlastnosti.
Medzi typické technicky navrhnuté kompozitné materiály patria:
- biokompozity
- vystužené plasty, napríklad polymér vystužený vláknami
- kovové kompozity
- keramické kompozity (kompozity s keramickou matricou a kompozity s kovovou matricou)
Kompozitné materiály sa vo všeobecnosti používajú ako stavebné a konštrukčné materiály, napríklad na trupy lodí, pracovné dosky, karosérie automobilov, vane, skladovacie nádrže, imitácie žuly a umývadlá z umelého mramoru, ako aj v kozmických lodiach a lietadlách.
Kompozity môžu využívať aj kovové vlákna vystužujúce iné kovy, ako je to v kompozitoch s kovovou matricou (MMC) alebo v kompozitoch s keramickou matricou (CMC), medzi ktoré patria kosť (hydroxyapatit vystužený kolagénovými vláknami), cermet (keramika a kov) a betón.
Medzi kompozity s organickou matricou a keramickým kamenivom patria asfaltový betón, polymérny betón, liaty asfalt, hybrid liateho a valcovaného asfaltu, dentálny kompozit, syntaktická pena a perleť.
O účinkoch ultrazvuku na častice
Vlastnosti častíc možno pozorovať, keď sa veľkosť častíc zníži na určitú úroveň (známu ako kritická veľkosť). Keď rozmery častíc dosiahnu nanometrovú úroveň, interakcie na fázových rozhraniach sa výrazne zlepšujú, čo je rozhodujúce pre zlepšenie vlastností materiálov. Pritom má najväčší význam pomer plochy povrchu k objemu materiálov, ktoré sa používajú na vystuženie nanokompozitov. Nanokompozity ponúkajú technologické a ekonomické výhody pre takmer všetky priemyselné odvetvia vrátane leteckého a kozmického, automobilového, elektronického, biotechnologického, farmaceutického a zdravotníckeho odvetvia. Ďalšou veľkou výhodou je ich šetrnosť k životnému prostrediu.
Výkonový ultrazvuk zlepšuje zmáčavosť a homogenizáciu medzi matricou a časticami prostredníctvom intenzívneho miešania a dispergovania – vyvolaných ultrazvukovou kavitáciou. Keďže sonikácia je najpoužívanejšou a najúspešnejšou metódou dispergovania nanomateriálov, ultrazvukové systémy spoločnosti Hielscher sú nainštalované v laboratóriách, poloprevádzkach a výrobných prevádzkach po celom svete.