Prednosti proizvodnje hidrogelov z ultrazvočno obdelavo

Sonikacija je zelo učinkovita, zanesljiva in preprosta tehnika za pripravo visokozmogljivih hidrogelov. Ti hidrogeli imajo odlične materialne lastnosti, kot so absorpcijska sposobnost, viskoelastičnost, mehanska trdnost, tlačni modul in sposobnost samozaceljevanja.

Ultrazvočna polimerizacija in dispergiranje za proizvodnjo hidrogelov

Hidrogeli so hidrofilne tridimenzionalne polimerne mreže, ki lahko absorbirajo velike količine vode ali tekočin. Hidrogeli imajo izjemno sposobnost nabrekanja. Običajni gradniki hidrogelov vključujejo polivinilalkohol, polietilenglikol, natrijev poliakrilat, akrilatne polimere, karbomere, polisaharide ali polipeptide z velikim številom hidrofilnih skupin ter naravne beljakovine, kot so kolagen, želatina in fibrin.
Tako imenovani hibridni hidrogeli so sestavljeni iz različnih kemično, funkcionalno in morfološko različnih materialov, kot so beljakovine, peptidi ali nano- / mikrostrukture.
Ultrazvočno dispergiranje se pogosto uporablja kot zelo učinkovita in zanesljiva tehnika za homogeno porazdelitev nanomaterialov, kot so ogljikove nanocevke (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), celulozni nanokristali, hitinska nanovlakna, titanov dioksid, srebrovi nanodelci, beljakovine in druge mikro- ali nanostrukture, v polimerni matrici hidrogelov. Zato je sonikacija eno glavnih orodij za proizvodnjo visokozmogljivih hidrogelov z izjemnimi lastnostmi.

Kaj kažejo raziskave – ultrazvočna priprava hidrogelov

Prvič, ultrazvočna obdelava spodbuja reakcije polimerizacije in zamreževanja med nastajanjem hidrogelov.
Drugič, ultrazvočna obdelava se je izkazala za zanesljivo in učinkovito tehniko dispergiranja pri proizvodnji hidrogelov in nanokompozitnih hidrogelov.

Ultrazvočno zamreževanje in polimerizacija hidrogelov

Ultrazvočna obdelava pomaga pri nastajanju polimernih mrež med sintezo hidrogelov z ustvarjanjem prostih radikalov. Intenzivni ultrazvočni valovi ustvarjajo akustično kavitacijo, ki povzroča velike strižne sile, strig na molekularni ravni in nastajanje prostih radikalov.

Cass et al. (2010) so pripravili več akrilnih hidrogelov: »Akrilni hidrogeli so bili pripravljeni z ultrazvočno polimerizacijo vodotopnih monomerov in makromonomerov. Ultrazvok je bil uporabljen za ustvarjanje iniciatorskih radikalov v viskoznih vodnih raztopinah monomerov z dodatki glicerola, sorbitola ali glukoze v odprtem sistemu pri 37°C. Vodotopni dodatki so bili bistveni za proizvodnjo hidrogelov, pri čemer je bil glicerol najučinkovitejši. Hidrogeli so bili pripravljeni iz monomerov 2-hidroksietil metakrilata, poli(etilenglikol) dimetakrilata, dekstran metakrilata, akrilne kisline/etilenglikol dimetakrilata in akrilamida/bis-akrilamida.« [Cass et al. 2010] Uporaba ultrazvoka s sondno ultrazvočno napravo se je izkazala za učinkovito metodo za polimerizacijo vodotopnih vinilnih monomerov in nadaljnjo pripravo hidrogelov. Ultrazvočno sprožena polimerizacija poteka hitro brez kemičnega iniciatorja.
Celoten protokol raziskave najdete tukaj!
 

Ultrazvočno dispergiranje pirogenega silicijevega dioksida: ultrazvočni homogenizator Hielscher UP400S hitro in učinkovito dispergira prah silicijevega dioksida v posamezne nanodelce.

Preberite več o ultrazvočni sintezi nanokompozitnih hidrogelov in nanogelov!

Ultrazvočna obdelava je združljiva z vsemi vrstami polimerov in biopolimerov ter omogoča ojačitev hibridnih hidrogelov z nanostrukturiranimi materiali, kot so nanodelci, nanokristali ali nanovlakna. Ojačitev hidrogelov z različnimi nanomateriali omogoča spreminjanje in nadzor fizikalno-kemijskih in reomehanskih lastnosti nanokompozitnih hidrogelov, saj so mikrostrukture ključni dejavnik za dosežene materialne lastnosti.

Izdelava hidrogela iz poli(akrilamid-ko-itakonske kisline) – MWCNT s sonikacijo

Mohammadinezhada et al. (2018) so uspešno izdelali superabsorpcijski hidrogelni kompozit, ki vsebuje poli(akrilamid-ko-itakonsko kislino) in večstenske ogljikove nanocevke (MWCNTs). Ultrazvočna obdelava je bila izvedena z ultrazvočno napravo Hielscher UP200S. Stabilnost hidrogela se je povečevala z naraščanjem deležev MWCNTs, kar bi lahko pripisali hidrofobni naravi MWCNTs in povečanju gostote zamreževalca. Tudi sposobnost zadrževanja vode (WRC) hidrogela P(AAm-co-IA) se je povečala ob prisotnosti MWCNT (10 wt%). V tej raziskavi so bili učinki ultrazvočne obdelave ocenjeni kot boljši glede enakomerne porazdelitve ogljikovih nanocevk na površini polimera. MWCNTs so ostale nepoškodovane, brez kakršne koli prekinitve polimerne strukture. Poleg tega so se povečale trdnost pridobljenega nanokompozita, njegova sposobnost zadrževanja vode in absorpcija drugih topnih snovi, kot je Pb (II). Sonikacija je razcepila iniciator in ob naraščajoči temperaturi dispergirala MWCNTs kot odlično polnilo v polimernih verigah.
Raziskovalci ugotavljajo, da teh »reakcijskih pogojev ni mogoče doseči s konvencionalnimi metodami, prav tako ni mogoče doseči homogenosti in dobre dispergiranosti delcev v gostiteljski matrici. Poleg tega postopek sonikacije loči nanodelce na posamezne delce, česar z mešanjem ni mogoče doseči. Drug mehanizem zmanjševanja velikosti je učinek močnih akustičnih valov na sekundarne vezi, kot so vodikove vezi; to obsevanje pretrga vodikove vezi med delci, nato pa razdruži agregirane delce ter poveča število prostih adsorpcijskih skupin, kot je -OH, in njihovo dostopnost. Zaradi tega pomembnega pojava je postopek sonikacije boljša metoda od drugih, kot je magnetno mešanje, uporabljeno v literaturi.« [Mohammadinezhada et al., 2018]

Visokozmogljive ultrazvočne naprave za sintezo hidrogelov

Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljivo ultrazvočno opremo za sintezo hidrogelov. Od majhnih in srednje velikih ultrazvočnih naprav za raziskave in razvoj ter pilotno uporabo do industrijskih sistemov za komercialno proizvodnjo hidrogelov v neprekinjenem načinu – Hielscher Ultrasonics izpolnjuje zahteve vašega procesa.
Ultrazvočne naprave industrijske kakovosti lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude, ki omogočajo zanesljive reakcije zamreževanja in polimerizacije ter enakomerno dispergiranje nanodelcev. Amplitude do 200µm je mogoče brez težav neprekinjeno vzdrževati pri delovanju 24/7/365. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.

Že danes nas povprašajte za dodatne tehnične informacije, cene in nezavezujočo ponudbo. Naši sodelavci z dolgoletnimi izkušnjami vam bodo z veseljem svetovali!
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Hielscher SonoStation poenostavi sonikacijo srednje velikih šarž z uporabo pretočnega reaktorja. Kompaktna SonoStation združuje 38-litrski rezervoar z mešalom in nastavljivo ekscentrično vijačno črpalko, ki lahko v enega ali dva ultrazvočna pretočna reaktorja dovaja do 3 litre na minuto.