Ultrazvočna formulacija ojačanih kompozitov
- Kompoziti kažejo edinstvene lastnosti materiala, kot so znatno izboljšana toplotna stabilnost, modul elastičnosti, natezna trdnost, lomna trdnost in se zato pogosto uporabljajo pri izdelavi razdeljevalnih izdelkov.
- Dokazano je, da ultrazvočno razbijanje proizvaja visokokakovostne nanokompozite z visoko razpršenimi CNT, grafenom itd.
- Ultrazvočna oprema za formulacijo ojačanih kompozitov je na voljo v industrijskem obsegu.
nanokompoziti
Nanokompoziti se odlikujejo s svojimi mehanskimi, električnimi, toplotnimi, optičnimi, elektrokemičnimi in/ali katalitičnimi lastnostmi.
Zaradi izjemno visokega razmerja med površino in prostornino ojačevalne faze in/ali izjemno visokega razmerja širine in višine so nanokompoziti bistveno učinkovitejši od običajnih kompozitov. Za ojačitev se pogosto uporabljajo nanodelci, kot so sferični silicijev dioksid, mineralne plošče, kot je luščeni grafen ali glina, ali nano vlakna, kot so ogljikove nanocevke ali elektrospredena vlakna.
Na primer, ogljikove nanocevke se dodajo za izboljšanje električne in toplotne prevodnosti, nano silicijev dioksid se uporablja za izboljšanje mehanskih, toplotnih in vodoodpornih lastnosti. Druge vrste nanodelcev dajejo izboljšane optične lastnosti, dielektrične lastnosti, toplotno odpornost ali mehanske lastnosti, kot so togost, trdnost in odpornost proti koroziji in poškodbam.
Primeri ultrazvočno formuliranih nanokompozitov:
- ogljikove nanocevke (CNT) v matriksu vinilnega estra
- CNT / ogljikova čebula / nano diamanti v nikljevi kovinski matrici
- CNT v matrici magnezijeve zlitine
- CNT v matriksu polivinilalkohola (PVA)
- večstenska ogljikova nanocevka (MWCNT) v matrici epoksi smole (z uporabo metil tetrahidroftalnega anhidrida (MTHPA) kot strjevalnega sredstva)
- grafen oksid v matriksu s polivinilalkoholom (PVA)
- Nanodelci SiC v magnezijevem matriksu
- nano silicijev dioksid (Aerosil) v polistirenski matrici
- magnetni železov oksid v fleksibilni poliuretanski (PU) matrici
- nikljev oksid v grafitu/poli(vinilkloridu)
- nanodelci titana v matriksu polimlečne ko-glikolne kisline (PLGA)
- nano hidroksiapatit v matriksu polimlečne ko-glikolne kisline (PLGA)
Ultrazvočna disperzija
Ultrazvočni procesni parametri so lahko natančno nadzorovani in optimalno prilagojeni sestavi materiala in želeni kakovosti izhoda. Ultrazvočna disperzija je priporočena tehnika za vključitev nano delcev, kot so CNT ali grafen, v nanokompozite. Ultrazvočna disperzija in formulacija nanokompozitov, ki je bila dolgo preizkušena na znanstveni ravni in se izvaja v številnih industrijskih proizvodnih obratih, je dobro uveljavljena metoda. Hielscherjeve dolgoletne izkušnje z ultrazvočno obdelavo nano materialov zagotavljajo globoko svetovanje, priporočilo ustrezne ultrazvočne nastavitve in pomoč pri razvoju in optimizaciji procesa.
Večinoma se ojačevalni nano delci med obdelavo razpršijo v matrico. Odstotek teže (masni delež) dodanega nano materiala se giblje v spodnji lestvici, npr. 0,5% do 5%, saj enakomerna disperzija, dosežena z ultrazvočnim razbijanjem, omogoča varčevanje z ojačitvenimi polnili in večjo ojačitveno zmogljivost.
Tipična uporaba ultrazvoka v proizvodnji je formulacija kompozita nanodelcev in smole. Za proizvodnjo vinilnega estra, ojačanega s CNT, se ultrazvočna razbijanje uporablja za razpršitev in funkcionalizacijo CNT. Za te CNT-vinilne estre so značilne izboljšane električne in mehanske lastnosti.
Kliknite tukaj, če želite prebrati več o razpršenosti CNT!
grafen
Grafen ponuja izjemne fizikalne lastnosti, visoko razmerje širine in višine in nizko gostoto. Grafen in grafen oksid sta integrirana v kompozitno matrico, da se dobijo lahki polimeri visoke trdnosti. Da bi dosegli mehansko ojačitev, morajo biti grafenske plošče / ploščice zelo fino razpršene, saj aglomerirane grafenske plošče drastično omejujejo učinek ojačitve.
Znanstvene raziskave so pokazale, da je obseg izboljšanja večinoma odvisen od stopnje disperzije grafenskih listov v matriki. Samo homogeno razpršen grafen daje želene učinke. Zaradi močne hidrofobnosti in van der Waalsove privlačnosti je grafen nagnjen k agregiranju in aglomeraciji v kosmiče šibko medsebojno delujočih enoslojnih listov.
Medtem ko običajne disperzijske tehnike pogosto ne morejo proizvesti homogenih, nepoškodovanih grafenskih disperzij, ultrazvočni aparati visoke moči proizvajajo visokokakovostne grafenske disperzije. Hielscherjevi ultrazvočni aparati brez težav ravnajo z nedotaknjenim grafenom, grafen oksidom in reduciranim grafen oksidom od nizke do visoke koncentracije in od majhnih do velikih količin. Pogosto uporabljeno topilo je N-metil-2-pirolidon (NMP), vendar se lahko z ultrazvokom visoke moči grafen celo razprši v slabih topilih z nizko vreliščem, kot so aceton, kloroform, IPA in cikloheksanon.
Kliknite tukaj, če želite prebrati več o razsutem pilingu grafena!
Ogljikove nanocevke in drugi nano materiali
Dokazano je, da ultrazvok moči povzroči drobne disperzije različnih nano materialov, vključno z ogljikovimi nanocevkami (CNT), SWNT, MWNT, fulereni, silicijev dioksid (SiO2), titanov dioksid (TiO2), srebro (Ag), cinkov oksid (ZnO), nanofibrilirana celuloza in mnogi drugi. Na splošno ultrazvočno razbijanje presega običajne razpršilnike in lahko doseže edinstvene rezultate.
Poleg mletja in razprševanja nano delcev se odlični rezultati dosežejo s sintezo nano delcev z ultrazvočnim obarjanjem (sinteza od spodaj navzgor). Ugotovljeno je bilo, da je velikost delcev, npr. ultrazvočno sintetiziranega magnetita, natrijevega cinkovega molibdata in drugih, manjša v primerjavi s tisto, pridobljeno s konvencionalno metodo. Manjša velikost se pripisuje povečani hitrosti nukleacije in boljšim vzorcem mešanja zaradi striženja in turbulence, ki jo povzroča ultrazvočna kavitacija.
Kliknite tukaj, če želite izvedeti več o ultrazvočnih padavinah od spodaj navzgor!
Ultrazvočna funkcionalizacija delcev
Specifična površina delca se povečuje z zmanjševanjem velikosti. Zlasti v nanotehnologiji se izražanje lastnosti materiala znatno poveča s povečano površino delca. Površina se lahko ultrazvočno poveča in spremeni s pritrditvijo ustreznih funkcionalnih molekul na površino delcev. Pri uporabi in uporabi nano materialov so površinske lastnosti enako pomembne kot lastnosti jedra delcev.
Ultrazvočno funkcionalizirani delci se pogosto uporabljajo v polimerih, kompozitih & biokompoziti, nanofluidi, sestavljene naprave, nanozdravila itd. S funkcionalizacijo delcev so značilnosti, kot so stabilnost, trdnost & togost, topnost, polidisperznost, fluorescenca, magnetizem, superparamagnetizem, optična absorpcija, visoka gostota elektronov, fotoluminiscenca itd. se drastično izboljšajo.
Običajni delci, ki so komercialno funkcionalizirani s Hielscherjem’ ultrazvočni sistemi vključujejo CNT, SWNT, MNT, grafen, grafit, silicijev dioksid (SiO2), nanodiamanti, magnetit (železov oksid, Fe3O4), srebrni nano delci, zlati nanodelci, porozni & mezoporozni nanodelci itd.
Kliknite tukaj, če si želite ogledati izbrane opombe o aplikacijah za ultrazvočno zdravljenje delcev!
Ultrazvočni razpršilci
Hielscherjeva ultrazvočna disperzijska oprema je na voljo za laboratorijsko, namizno in industrijsko proizvodnjo. Hielscherjevi ultrazvočni aparati so zanesljivi, robustni, enostavni za uporabo in čiščenje. Oprema je zasnovana za delovanje 24/7 v težkih pogojih. Ultrazvočni sistemi se lahko uporabljajo za serijsko in linijsko obdelavo – prilagodljiv in enostavno prilagodljiv vašemu procesu in zahtevam.
Ultrazvočne serijske in linijske zmogljivosti
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 5 do 200 ml | 50 do 500 ml / min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 do 2L | 0.25 do 2m3/Hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 do 10L | 1 do 8 m3/Hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 do 30 m3/Hr | UIP16000 |
| n.a. | nad 30 m3/Hr | Grozd UIP10000 ali UIP16000 |
Ultrazvočna laboratorijska naprava za funkcionalizacijo delcev
Literatura/Reference
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, PR; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Raziskava protikorozijske odpornosti ultrazvočno pripravljenega nanopigmenta natrijevega cinkovega molibdata v dvopakiranju epoksi-poliamidnega premaza. Kompozitni vmesniki 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, ST; Noruzian, M.(2016): Priprava novih nanokompozitov magnetne poliuretanske pene z uporabo nanodelcev jedra. Polímeros vol.26 št. 4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Priprava kompozitnega materiala grafen oksid-polistiren. 3. mednarodna konferenca o okolju, kemiji in biologiji. IPCBEE vol.78, 2014.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
O kompozitnih materialih
Kompozitni materiali (znani tudi kot sestavni materiali) so opisani kot materiali, izdelani iz dveh ali več sestavin, za katere so značilne bistveno različne fizikalne ali kemijske lastnosti. Ko se ti sestavni materiali združijo, se nov material – tako imenovani kompozitni – se proizvaja, ki kaže drugačne lastnosti od posameznih komponent. Posamezne komponente ostanejo ločene in ločene znotraj končne strukture.
Novi material ima boljše lastnosti, npr. je močnejši, lažji, odpornejši ali cenejši v primerjavi z običajnimi materiali. Izboljšave nanokompozitov segajo od mehanskih, električnih / prevodnih, toplotnih, optičnih, elektrokemičnih do katalitičnih lastnosti.
Tipični inženirski kompozitni materiali vključujejo:
- Biokompoziti
- ojačana plastika, kot je polimer, ojačan z vlakni
- kovinski kompoziti
- keramični kompoziti (keramična matrica in kompozit kovinske matrice)
Kompozitni materiali se običajno uporabljajo za gradnjo in strukturiranje materialov, kot so trupi čolnov, pulti, karoserije avtomobilov, kadi, rezervoarji, imitacija granita in umivalniki iz kultiviranega marmorja, pa tudi v vesoljskih plovilih in letalih.
Kompoziti lahko uporabljajo tudi kovinska vlakna, ki ojačujejo druge kovine, kot so kompoziti s kovinsko matrico (MMC) ali kompoziti s keramičnim matriksom (CMC), ki vključujejo kost (hidroksiapatit, ojačan s kolagenskimi vlakni), kermet (keramika in kovina) in beton.
Organska matrica / keramični agregatni kompoziti vključujejo asfaltni beton, polimerni beton, mastiks asfalt, hibrid mastiksnega valja, zobni kompozit, sintaktično peno in biser.
O ultrazvočnih učinkih na delce
Lastnosti delcev lahko opazimo, ko se velikost delcev zmanjša na določeno raven (znano kot kritična velikost). Ko dimenzije delcev dosežejo nanometrsko raven, se interakcije na faznih vmesnikih močno izboljšajo, kar je ključnega pomena za izboljšanje lastnosti materialov. S tem je najpomembnejše razmerje med površino in prostornino materialov, ki se uporabljajo za ojačitev v nanokompozitih. Nanokompoziti ponujajo tehnološke in gospodarske prednosti za skoraj vse industrijske sektorje, vključno z letalskim, avtomobilskim, elektronskim, biotehnološkim, farmacevtskim in medicinskim sektorjem. Še ena velika prednost je njihova prijaznost do okolja.
Močni ultrazvok izboljša omočljivost in homogenizacijo med matrico in delci z intenzivnim mešanjem in razprševanjem – ustvarjeno s strani Ultrazvočna kavitacija. Ker je ultrazvočna razbijanje najbolj razširjena in najuspešnejša disperzijska metoda, ko gre za nano materiale, so Hielscherjevi ultrazvočni sistemi nameščeni v laboratoriju, pilotnem obratu in proizvodnji po vsem svetu.