Ultrazvočno formuliranje ojačenih kompozitov
- Kompoziti imajo edinstvene materialne lastnosti, kot so znatno izboljšana toplotna stabilnost, modul elastičnosti, natezna trdnost in lomna trdnost, zato se pogosto uporabljajo pri izdelavi najrazličnejših izdelkov.
- Dokazano je, da sonikacija omogoča izdelavo visokokakovostnih nanokompozitov z zelo dobro dispergiranimi CNT, grafenom itd.
- Ultrazvočna oprema za formuliranje ojačenih kompozitov je na voljo v industrijskem merilu.
Nanokompoziti
Nanokompoziti se odlikujejo po svojih mehanskih, električnih, toplotnih, optičnih, elektrokemijskih in/ali katalitskih lastnostih.
Zaradi izjemno velikega razmerja med površino in prostornino ojačitvene faze in/ali izjemno velikega razmerja stranic so nanokompoziti znatno zmogljivejši od običajnih kompozitov. Za ojačitev se pogosto uporabljajo nanodelci, kot je sferični silicijev dioksid, mineralni lističi, kot sta eksfoliirani grafen ali glina, ali nanovlakna, kot so ogljikove nanocevke ali elektrospredena vlakna.
Ogljikove nanocevke se na primer dodajajo za izboljšanje električne in toplotne prevodnosti, nanosilicijev dioksid pa se uporablja za izboljšanje mehanskih in toplotnih lastnosti ter odpornosti proti vodi. Druge vrste nanodelcev izboljšajo optične lastnosti, dielektrične lastnosti, toplotno odpornost ali mehanske lastnosti, kot so togost, trdnost ter odpornost proti koroziji in poškodbam.
Primeri ultrazvočno formuliranih nanokompozitov:
- ogljikove nanocevke (CNT) v vinilestrski matrici
- CNT / ogljikove čebulice / nanodiamanti v kovinski matrici iz niklja
- CNT v matrici iz magnezijeve zlitine
- CNT v matrici iz polivinil alkohola (PVA)
- večstenska ogljikova nanocevka (MWCNT) v matrici iz epoksidne smole (z uporabo anhidrida metiltetrahidroftalne kisline (MTHPA) kot utrjevalca)
- grafenov oksid v matrici iz poli(vinil alkohola) (PVA)
- nanodelci SiC v magnezijevi matrici
- nanosilicijev dioksid (Aerosil) v polistirenski matrici
- magnetni železov oksid v prožni poliuretanski (PU) matrici
- nikljev oksid v grafitu/poli(vinil kloridu)
- nanodelci titanovega dioksida v matrici iz poli(mlečne-ko-glikolne kisline) (PLGA)
- nanohidroksiapatit v matrici iz poli(mlečne-ko-glikolne kisline) (PLGA)
Ultrazvočno dispergiranje
Parametre ultrazvočnega procesa je mogoče natančno nadzorovati in optimalno prilagoditi sestavi materiala ter želeni kakovosti končnega izdelka. Ultrazvočno dispergiranje je priporočena tehnika za vključevanje nanodelcev, kot so CNT ali grafen, v nanokompozite. Ultrazvočno dispergiranje in formuliranje nanokompozitov je dobro uveljavljena metoda, ki je bila dolgo preizkušana na znanstveni ravni in uvedena v številne industrijske proizvodne obrate. Dolgoletne izkušnje podjetja Hielscher pri ultrazvočni obdelavi nanomaterialov zagotavljajo poglobljeno svetovanje, priporočilo ustrezne ultrazvočne konfiguracije ter pomoč pri razvoju in optimizaciji procesa.
Ojačitveni nanodelci se večinoma dispergirajo v matrico med obdelavo. Masni odstotek (masni delež) dodanega nanomateriala je v spodnjem območju, npr. od 0,5% do 5%, saj enakomerna disperzija, dosežena s sonikacijo, omogoča prihranek ojačitvenih polnil in večji učinek ojačitve.
Tipična uporaba ultrazvoka v proizvodnji je formuliranje kompozita iz nanodelcev in smole. Za izdelavo vinilestra, ojačenega s CNT, se sonikacija uporablja za dispergiranje in funkcionalizacijo CNT. Za te vinilestre s CNT so značilne izboljšane električne in mehanske lastnosti.
Kliknite tukaj za več informacij o dispergiranju CNT!
Grafen
Grafen ima izjemne fizikalne lastnosti, veliko razmerje stranic in nizko gostoto. Grafen in grafenov oksid se vključujeta v kompozitno matrico za pridobivanje lahkih polimerov z visoko trdnostjo. Za mehansko ojačitev morajo biti grafenski lističi / ploščice zelo fino dispergirani, saj aglomerirani grafenski lističi drastično omejujejo učinek ojačitve.
Znanstvene raziskave so pokazale, da je obseg izboljšanja večinoma odvisen od stopnje dispergiranosti grafenskih lističev v matrici. Samo homogeno dispergiran grafen zagotavlja želene učinke. Zaradi izrazite hidrofobnosti in van der Waalsove privlačnosti se grafen rad združuje in aglomerira v kosmiče enoslojnih lističev s šibkimi medsebojnimi interakcijami.
Medtem ko običajne tehnike dispergiranja pogosto ne morejo zagotoviti homogenih disperzij nepoškodovanega grafena, ultrazvočne naprave velike moči ustvarjajo visokokakovostne disperzije grafena. Ultrazvočne naprave podjetja Hielscher brez težav obdelujejo neokrnjeni grafen, grafenov oksid in reducirani grafenov oksid pri nizkih do visokih koncentracijah ter v majhnih do velikih prostorninah. Pogosto uporabljeno topilo je N-metil-2-pirolidon (NMP), vendar je mogoče z ultrazvokom velike moči grafen dispergirati celo v slabih topilih z nizkim vreliščem, kot so aceton, kloroform, IPA in cikloheksanon.
Kliknite tukaj za več informacij o eksfoliaciji grafena v velikih količinah!
Ogljikove nanocevke in drugi nanomateriali
Dokazano je, da ultrazvok velike moči omogoča fino dispergiranje različnih nanomaterialov, vključno z ogljikovimi nanocevkami (CNT), SWNT, MWNT, fulereni, silicijevim dioksidom (SiO2), titanovim dioksidom (TiO2), srebrom (Ag), cinkovim oksidom (ZnO), nanofibrilirano celulozo in številnimi drugimi. Na splošno sonikacija presega običajne dispergatorje in lahko doseže edinstvene rezultate.
Poleg mletja in dispergiranja nanodelcev se odlični rezultati dosegajo tudi s sintezo nanodelcev z ultrazvočnim obarjanjem (sinteza od spodaj navzgor). Ugotovljeno je bilo, da je velikost delcev, npr. ultrazvočno sintetiziranega magnetita, natrijevega cinkovega molibdata in drugih, manjša kot pri uporabi običajne metode. Manjšo velikost pripisujejo večji hitrosti nukleacije in boljšim vzorcem mešanja zaradi striga in turbulence, ki ju povzroča ultrazvočna kavitacija.
Kliknite tukaj za več informacij o ultrazvočnem obarjanju po pristopu od spodaj navzgor!
Ultrazvočna funkcionalizacija delcev
Specifična površina delca se povečuje z zmanjševanjem njegove velikosti. Zlasti v nanotehnologiji se izraženost materialnih lastnosti znatno poveča s povečanjem površine delca. Površino je mogoče ultrazvočno povečati in spremeniti s pritrjevanjem ustreznih funkcionalnih molekul na površino delca. Pri uporabi nanomaterialov so površinske lastnosti enako pomembne kot lastnosti jedra delca.
Ultrazvočno funkcionalizirani delci se pogosto uporabljajo v polimerih, kompozitih in biokompozitih, nanotekočinah, sestavljenih napravah, nanozdravilih itd. Funkcionalizacija delcev drastično izboljša lastnosti, kot so stabilnost, trdnost in togost, topnost, polidisperznost, fluorescenca, magnetizem, superparamagnetizem, optična absorpcija, visoka elektronska gostota, fotoluminiscenca itd.
Med običajne delce, ki se komercialno funkcionalizirajo z ultrazvočnimi sistemi podjetja Hielscher, spadajo CNT, SWNT, MWNT, grafen, grafit, silicijev dioksid (SiO2), nanodiamanti, magnetit (železov oksid, Fe3O4), srebrovi nanodelci, zlati nanodelci, porozni in mezoporozni nanodelci itd.
Kliknite tukaj za ogled izbranih napotkov za uporabo ultrazvočne obdelave delcev!
Ultrazvočni dispergatorji
Ultrazvočna oprema podjetja Hielscher za dispergiranje je na voljo za laboratorijsko uporabo, namizno uporabo in industrijsko proizvodnjo. Ultrazvočne naprave podjetja Hielscher so zanesljive, robustne ter enostavne za upravljanje in čiščenje. Oprema je zasnovana za delovanje 24/7 v zahtevnih pogojih. Ultrazvočni sistemi se lahko uporabljajo za šaržno obdelavo in obdelavo v pretočnem sistemu – so prilagodljivi in jih je mogoče preprosto prilagoditi vašemu procesu in zahtevam.
Zmogljivosti ultrazvočne šaržne obdelave in obdelave v pretočnem sistemu
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 5 do 200mL | 50 do 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 do 2L | 0,25 do 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 do 10L | 1 do 8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 do 30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | nad 30m3/hr | sklop naprav UIP10000 ali UIP16000 |
Ultrazvočna laboratorijska naprava za funkcionalizacijo delcev
Literatura/viri
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Raziskava učinkovitosti zaviranja korozije z ultrazvočno pripravljenim nanopigmentom natrijevega cinkovega molibdata v dvokomponentnem epoksidno-poliamidnem premazu. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Priprava novih magnetnih nanokompozitov iz poliuretanske pene z uporabo nanodelcev z jedrom in lupino. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Priprava kompozitnega materiala iz grafenovega oksida in polistirena. 3. mednarodna konferenca o okolju, kemiji in biologiji. IPCBEE vol.78, 2014.
Koristna dejstva
O kompozitnih materialih
Kompozitni materiali (znani tudi kot sestavljeni materiali) so opredeljeni kot materiali, izdelani iz dveh ali več sestavin z znatno različnimi fizikalnimi ali kemijskimi lastnostmi. Ko se ti sestavni materiali združijo, nastane nov material – tako imenovani kompozit – z drugačnimi lastnostmi kot posamezne komponente. Posamezne komponente ostanejo v končni strukturi ločene in razločljive.
Novi material ima boljše lastnosti, npr. je trdnejši, lažji, odpornejši ali cenejši v primerjavi z običajnimi materiali. Izboljšave nanokompozitov segajo od mehanskih, električnih / prevodnih, toplotnih, optičnih in elektrokemijskih do katalitskih lastnosti.
Med tipične namensko zasnovane kompozitne materiale spadajo:
- biokompoziti
- ojačene plastike, kot je polimer, ojačen z vlakni
- kovinski kompoziti
- keramični kompoziti (kompoziti s keramično matrico in kompoziti s kovinsko matrico)
Kompozitni materiali se običajno uporabljajo kot gradbeni in konstrukcijski materiali, na primer za ladijske trupe, delovne pulte, avtomobilske karoserije, kopalne kadi, rezervoarje, imitacije granita in umivalnike iz umetnega marmorja ter v vesoljskih plovilih in letalih.
Kompoziti lahko vsebujejo tudi kovinska vlakna, ki ojačujejo druge kovine, kot pri kompozitih s kovinsko matrico (MMC) ali kompozitih s keramično matrico (CMC), med katere spadajo kost (hidroksiapatit, ojačen s kolagenskimi vlakni), kermet (keramika in kovina) ter beton.
Med kompozite z organsko matrico in keramičnim agregatom spadajo asfaltni beton, polimerni beton, liti asfalt, mastic roller hybrid, dentalni kompozit, sintaktična pena in biserovina.
O ultrazvočnih učinkih na delce
Lastnosti delcev je mogoče opazovati, ko se velikost delcev zmanjša na določeno raven (znano kot kritična velikost). Ko dimenzije delcev dosežejo nanometrsko raven, se interakcije na faznih mejah močno izboljšajo, kar je ključno za izboljšanje lastnosti materialov. Pri tem je najpomembnejše razmerje med površino in prostornino materialov, ki se uporabljajo za ojačitev nanokompozitov. Nanokompoziti ponujajo tehnološke in gospodarske prednosti za skoraj vse industrijske panoge, vključno z letalsko in vesoljsko, avtomobilsko, elektronsko, biotehnološko, farmacevtsko in medicinsko panogo. Njihova dodatna velika prednost je prijaznost do okolja.
Ultrazvok velike moči izboljša omočljivost in homogenizacijo med matrico in delci z intenzivnim mešanjem in dispergiranjem, ki ju povzroča ultrazvočna kavitacija. Ker je sonikacija najpogosteje uporabljena in najuspešnejša metoda dispergiranja nanomaterialov, so ultrazvočni sistemi podjetja Hielscher nameščeni v laboratorijih, pilotnih obratih in proizvodnji po vsem svetu.