Ultrazvočna priprava ojačane gume
- Ojačane gume kažejo večjo natezno trdnost, raztezek, odpornost proti obrabi in boljšo stabilnost pri staranju.
- Polnila, kot so saje (npr. CNT, MWNT), grafen ali silicijev dioksid, morajo biti homogeno razpršena v matrici, da se zagotovijo želene lastnosti materiala.
- Ultrazvok moči zagotavlja vrhunsko kakovost porazdelitve monodisperznih nanodelcev z visoko ojačitvenimi lastnostmi.
Ultrazvočna disperzija
Ultrasonication se pogosto uporablja za razprševanje nano materialov, kot so monodispergirani nanodelci in nanocevi, saj ultrazvok močno izboljša ločevanje in funkcionalizacijo delcev in cevi.
Ultrazvočna disperzijska oprema ustvarja Kavitacija in visoke strižne sile za motenje, deaglomeriranje, razpletanje in razpršitev nano delcev in nanocevk. Intenzivnost ultrazvočne obdelave je mogoče natančno prilagoditi in nadzorovati tako, da so parametri ultrazvočne obdelave popolnoma prilagojeni, ob upoštevanju koncentracije, aglomeracije in poravnave / zapletanja nano materiala. S tem je mogoče nano materiale optimalno obdelati glede na njihove specifične materialne zahteve. Optimalni disperzijski pogoji zaradi individualno prilagojenih ultrazvočnih procesnih parametrov imajo za posledico visokokakovosten končni gumijasti nanokompozit z vrhunskimi ojačitvenimi lastnostmi nano-dodatkov in polnil.
Zaradi vrhunske kakovosti disperzije ultrazvoka in s tem dosežene enakomerne disperzije zadostuje zelo nizka obremenitev polnila za doseganje odličnih lastnosti materiala.
Industrijski ultrazvočni sistem
Ultrazvočno guma, ojačana s črno ogljem
Saje so eno najpomembnejših polnil v gumah, zlasti za pnevmatike, ki daje gumijastemu materialu odpornost proti obrabi in natezno trdnost. Delci saj so zelo nagnjeni k tvorbi agregatov, ki jih je težko homogeno razpršiti. Saje se običajno uporabljajo v barvah, emajlih, tiskarskih barvah, najlonskih in plastičnih barvilih, mešanicah lateksa, mešanicah voska, fotopremazih in še več.
Ultrazvočna disperzija omogoča deaglomeracijo in enakomerno mešanje z zelo visoko monodisperznostjo delcev.
Kliknite tukaj, če želite izvedeti več o ultrazvočni disperziji za ojačane kompozite!
Ultrazvočno guma, ojačana s CNT / MWCNT
Ultrazvočni homogenizatorji so močni disperzijski sistemi, ki jih je mogoče natančno nadzorovati in prilagoditi procesnim in materialnim zahtevam. Natančen nadzor ultrazvočnih procesnih parametrov je še posebej pomemben za razprševanje nanocevk, kot so MWNT ali SWNT, saj je treba nanocevke razpletati v posamezne cevi, ne da bi se poškodovale (npr. Razrez). Nepoškodovane nanocevke ponujajo visoko razmerje širine in višine (do 132.000.000: 1), tako da dajejo izjemno trdnost in togost, ko so formulirane v kompozit. Močna, natančno prilagojena ultrazvočna razbijanje premaga Van der Waalsove sile ter razprši in razpleta nanocevke, kar ima za posledico visoko zmogljiv gumijasti material z izjemno natezno trdnostjo in modulom elastičnosti.
Poleg tega ultrazvočna funkcionalizacija se uporablja za modificiranje ogljikovih nanocevk, da bi dosegli želene lastnosti, ki se lahko uporabljajo v različnih aplikacijah.
Ultrazvočni aparati za neprekinjeno disperzijo nanomaterialov, saj ali aktivnega oglja.
Ultrazvočno guma, ojačana z nano-silicijevim dioksidom
Ultrazvočni razpršilniki zagotavljajo zelo enakomerno porazdelitev delcev silicijevega dioksida (SiO2) Nano delci v raztopinah gumijastih polimerov. Silicijev dioksid (SiO2) Nano delci morajo biti homogeno porazdeljeni kot monodispergirani delci v polimeriziranem stiren-butadienu in drugih gumah. Mono-dispergirani nano-SiO2 deluje kot ojačevalna sredstva, ki znatno izboljšajo žilavost, trdnost, raztezek, upogibanje in odpornost proti staranju. Za nano delce velja: manjša kot je velikost delcev, večja je specifična površina delcev. Z večjim razmerjem med površino in prostornino (S/V) se dosežejo boljši strukturni in ojačitveni učinki, kar poveča natezno trdnost in trdoto izdelkov iz gume.
Ultrazvočna disperzija nanodelcev silicijevega dioksida omogoča natančno krmiljenje procesnih parametrov, tako da dobimo sferično morfologijo, natančno prilagojeno velikost delcev in zelo ozko porazdelitev velikosti.
Ultrazvočno razpršen silicijev dioksid ima za posledico najvišjo materialno zmogljivost tako ojačane gume.
Kliknite tukaj, če želite izvedeti več o ultrazvočni dispergiji SiO2!
Ultrazvočna disperzija ojačevalnih dodatkov
Dokazano je, da ultrazvočna razbijanje razprši številne druge nanodelce za izboljšanje modula, natezne trdnosti in lastnosti utrujenosti gumijastih kompozitov. Ker so velikost delcev, oblika, površina in površinska aktivnost polnil in ojačevalnih dodatkov ključnega pomena za njihovo delovanje, so močni in zanesljivi ultrazvočni razpršilniki ena najpogosteje uporabljenih metod za oblikovanje mikro- in nano-delcev v gumijaste izdelke.
Tipični dodatki in polnila, ki se vključijo z ultrazvočnim razbijanjem kot enakomerno porazdeljeni ali monodispergirani delci v gumijastih matrikah, so kalcijev karbonat, kaolinska glina, dimljeni silicijev dioksid, oborjeni silicijev dioksid, grafitni oksid, grafen, sljuda, smukec, barit, wollastonit, oborjeni silikati, dimljeni silicijev dioksid in diatomit.
Ko je TiO funkcionaliziran z oleinsko kislino2 nanodelci so ultrazvočno razpršeni v stiren-butadienskem kavčuku, celo v zelo majhni količini oleinskega SiO2 Ima za posledico znatno izboljšan modul, natezno trdnost in lastnosti utrujenosti ter deluje kot zaščitno sredstvo pred foto in toplotno razgradnjo.
- Aluminijev trihidrat (Al2O3) se doda kot zaviralec gorenja, za izboljšanje toplotne prevodnosti ter za sledenje in odpornost proti eroziji.
- Polnila cinkovega oksida (ZnO) povečajo relativno permitivnost in toplotno prevodnost.
- Titanov dioksid (TiO2) izboljša toplotno in električno prevodnost.
- Kalcijev karbonat (CaCO3) se uporablja kot dodatek zaradi svojih mehanskih, reoloških in negorljivih lastnosti.
- Barijev titanat (BaTiO3) poveča toplotno stabilnost.
- grafen in grafen oksid (GO) dajejo vrhunske mehanske, električne, toplotne in optične lastnosti materiala.
- Ogljikove nanocevke (CNT) znatno izboljšajo mehanske lastnosti, kot so natezna trdnost, električna in toplotna prevodnost.
- Večstenske ogljikove nanocevke (MWNT) izboljšajo Youngov modul in mejo tečenja. Na primer, samo 1 mas. % MWNT v epoksid ima za posledico povečan Youngov modul in mejo tečenja, 100% oziroma 200% v primerjavi s čisto matrico.
- Enojne ogljikove nanocevke (SWNT) izboljšajo mehanske lastnosti in toplotno prevodnost.
- Ogljikova nanovlakna (CNF) dodajajo trdnost, toplotno odpornost in vzdržljivost.
- Kovinski nanodelci, kot so nikelj, železo, baker, cink, aluminij in Srebro se dodajo za izboljšanje električne in toplotne prevodnosti.
- Organski nanomateriali, kot so Montmorillonit izboljšati mehanske in negorljive lastnosti.
Ultrazvočni disperzijski sistemi
Hielscher Ultrasonics ponuja široko paleto izdelkov ultrazvočne opreme – od manjših namiznih sistemov za preskus izvedljivosti do težkih industrijske ultrazvočne enote z do 16kW na enoto. Moč, zanesljivost, natančna krmilnost in njihova robustnost naredijo Hielscherjeve ultrazvočne disperzijske sisteme “delovni konj” v proizvodni liniji mikronskih in nanodelcev. Naši ultrazvočni aparati so sposobni obdelati vodne disperzije in disperzije na osnovi topil do visoke viskoznosti (do 10.000 cp) zlahka. Različne sonotrode (ultrazvočni rogovi), ojačevalniki (ojačevalec / reduktor), geometrije pretočnih celic in drugi dodatki omogočajo optimalno prilagoditev ultrazvočnega dispergatorja izdelku in njegovim procesnim zahtevam.
Hielscher Ultrasonics’ Industrijski ultrazvočni procesorji lahko zagotovijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko neprekinjeno izvajajo v 24/7 operaciji. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Robustnost Hielscherjeve ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje na težka obremenitev in v zahtevnih okoljih. Hielscherjevi ultrazvočni razpršilniki so nameščeni po vsem svetu za obsežno komercialno proizvodnjo.
Prilagojena ultrazvočna nastavitev za nano-disperzije
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Literatura / Reference
- Bitenieks, Juris; Meria, Remo Merijs; Zicans, Janis; Maksimovs, Roberts; Vasilec, Cornelia; Musteata, Valentina Elena (2012): Styrene–acrylate/carbon nanotube nanocomposites: mechanical, thermal, and electrical properties. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 2012, 61, 3, 172–177.
- Kaboorani, Alireza; Riedl, Bernard; Blanchet, Pierre (2013): Ultrasonication Technique: A Method for Dispersing Nanoclay in Wood Adhesives. Journal of Nanomaterials 2013.
- Momen, G.; Farzaneh, M. (2011): Survey of Micro/Nano Filler Use to improve Silicone Rubber For Outdoor Insulators. Review of Advanced Materials Science 27, 2011. 1-3.
- Sharma, S.D.; Singh, S. (2013): Synthesis and Characterization of Highly Effective Nano Sulfated Zirconia over Silica: Core-Shell Catalyst by Ultrasonic Irradiation. American Journal of Chemistry 2013, 3(4): 96-104.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
sintetični kavčuk
Sintetična guma je vsak umetni elastomer. Sintetični kavčuki so v glavnem polimeri, sintetizirani iz stranskih proizvodov nafte in so izdelani, tako kot drugi polimeri, iz različnih monomerov na osnovi nafte. Najbolj razširjen sintetični kavčuk je stiren-butadienski kavčuk (SBR), pridobljen s kopolimerizacijo stirena in 1,3-butadiena. Drugi sintetični kavčuki so pripravljeni iz izoprena (2-metil-1,3-butadien), kloroprena (2-kloro-1,3-butadiena) in izobutilena (metilpropena) z majhnim odstotkom izoprena za navzkrižno povezovanje. Te in druge monomere je mogoče mešati v različnih razmerjih, da se kopolimerizirajo, da se proizvedejo izdelki z vrsto fizikalnih, mehanskih in kemijskih lastnosti. Monomeri se lahko proizvajajo čisti, dodajanje nečistoč ali dodatkov pa se lahko nadzoruje z zasnovo, da se dobijo optimalne lastnosti. Polimerizacijo čistih monomerov je mogoče bolje nadzorovati, da dobimo želeni delež cis in trans dvojnih vezi.
Sintetični kavčuk, kot je naravni kavčuk, se pogosto uporablja v avtomobilski industriji za pnevmatike, profile vrat in oken, cevi, pasove, preproge in talne obloge.
naravni kavčuk
Naravni kavčuk je znan tudi kot indijska guma ali kaučuk. Naravni kavčuk je razvrščen kot elastomer in je sestavljen predvsem iz polimerov organske spojine poli-cis-izoprena in vode. Vsebuje sledi nečistoč, kot so beljakovine, umazanija itd. Naravni kavčuk, ki je pridobljen kot lateks iz kavčukovca Hevea Brasiliensis, kaže odlične mehanske lastnosti. Vendar pa ima v primerjavi s sintetičnim kavčukom naravni kavčuk nižjo lastnosti materiala, zlasti glede toplotne stabilnosti in združljivosti z naftnimi derivati. Naravni kavčuk ima široko paleto uporabe, bodisi samostojno ali v kombinaciji z drugimi materiali. Večinoma se uporablja zaradi velikega razmerja raztezanja, visoke odpornosti in izjemno visoke vodotesnosti. Tališče gume je približno 180 ° C (356 ° F).
Spodnja tabela vsebuje pregled različnih vrst gume:
| ISO | Tehnično ime | Splošno ime |
|---|---|---|
| ACM | Poliakrilatna guma | |
| AEM | Etilen-akrilatna guma | |
| Au | Poliester uretan | |
| BIIR | Bromo izobutilen izopren | Bromobutil |
| BR | Polibutadien | Buna CB |
| CIIR | Kloro izobutilen izopren | klorobutil, butil |
| CR | Polikloropren | Kloropren, neopren |
| CSM | Klorosulfonirani polietilen | Hypalon |
| EKO | Epiklorohidrin | ECO, epiklorohidrin, epiklor, epiklorin, herclor, hidrin |
| EP | Etilen propilen | |
| EPDM | Etilen propilen dien monomer | EPDM, Nordel |
| EU | Polieter uretan | |
| FFKM | Perfluoroogljikova guma | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Fluoronirani ogljikovodik | Viton, Fluorel |
| FMQ | Fluoro silikon | FMQ, silikonska guma |
| FPM | Fluoroogljikova guma | |
| HNBR | Hidrogenirani nitril butadien | HNBR |
| IR | Poliizopren | (Sintetično) Naravni kavčuk |
| Poročilo o vključitvi | Izobutilen izopren butil | Butil |
| NBR | Akrilonitril butadien | NBR, Nitril, Perbunan, Buna-N |
| PU | Poliuretana | PU, poliuretan |
| SBR | Stiren butadien | SBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE |
| SEBS | Stiren etilen butilen stiren kopolimer | SEBS guma |
| Si | Polisiloksan | silikonska guma |
| VMQ | Vinil metil silikon | silikonska guma |
| XNBR | Akrilonitril butadien karboksi monomer | XNBR, karboksilirani nitril |
| XSBR | Stiren butadien karboksi monomer | |
| YBPO | Termoplastični polieter-ester | |
| YSBR | Blok kopolimer stiren butadien | |
| YXSBR | Stiren butadien karboksi blok kopolimer |
SBR
Stiren-butadien ali stiren-butadienski kavčuk (SBR) opisuje sintetične kavčuke, ki so pridobljene iz stirena in butadiena. Ojačan stiren-butadien, za katerega je značilna visoka odpornost proti obrabi in dobre lastnosti proti staranju. Razmerje med stirenom in butadienom določa lastnosti polimera: z visoko vsebnostjo stirena postanejo gume trše in manj gumijaste.
Omejitve neojačanega SBR so posledica njegove nizke trdnosti brez ojačitve, nizke odpornosti, nizke trdnosti na trganje (zlasti pri visokih temperaturah) in slabega lepljenja. Zato so za izboljšanje lastnosti SBR potrebna ojačevalna sredstva in polnila. Na primer, polnila za saje se močno uporabljajo za trdnost in odpornost proti obrabi.
Stiren
Stiren (C8H8) je znan pod različnimi izrazi, kot so etenilbenzen, vinilbenzen, fenileten, feniletilen, cinanon, stirol, diarex HF 77, stirolen in stiropol. Je organska spojina s kemijsko formulo C6H5CH=CH2. Stiren je predhodnik polistirena in več kopolimerov.
Je derivat benzena in se pojavi kot brezbarvna oljnata tekočina, ki zlahka izhlapi. Stiren ima sladek vonj, ki se pri visokih koncentracijah spremeni v manj prijeten vonj.
V prisotnosti vinilne skupine stiren tvori polimer. Polimeri na osnovi stirena se komercialno proizvajajo za pridobivanje izdelkov, kot so polistiren, ABS, stiren-butadienska guma (SBR), stiren-butadien lateks, SIS (stiren-izopren-stiren), S-EB-S (stiren-etilen/butilen-stiren), stiren-divinilbenzen (S-DVB), stiren-akrilonitrilna smola (SAN) in nenasičeni poliestri, ki se uporabljajo v smolah in termoreaktivnih spojinah. Ti materiali so pomembni sestavni deli za proizvodnjo gume, plastike, izolacije, steklenih vlaken, cevi, avtomobilskih delov in delov čolnov, posod za hrano in preprog.
Uporaba gume
Guma ima številne lastnosti materiala, kot so trdnost, dolgotrajnost, vodoodpornost in odpornost na toploto. Zaradi teh lastnosti je guma zelo vsestranska, tako da se uporablja v številnih panogah. Glavna uporaba gume je v avtomobilski industriji, predvsem za proizvodnjo pnevmatik. Zaradi nadaljnjih značilnosti, kot so nedrsečost, mehkoba, vzdržljivost in odpornost, je guma zelo frekventen kompozit, ki se uporablja za proizvodnjo čevljev, talnih oblog, medicinskih in zdravstvenih potrebščin, gospodinjskih izdelkov, igrač, športnih izdelkov in številnih drugih izdelkov iz gume.
Nanododatki in polnila
Nano-velika polnila in dodatki v gumi delujejo kot ojačevalna in zaščitna sredstva za izboljšanje natezne trdnosti, odpornosti proti obrabi, odpornosti proti trganju, histerezi in zaščiti pred foto- in toplotno razgradnjo gume.
Kremena
Silicijev dioksid (SiO2, silicijev dioksid) se uporablja v številnih oblikah, kot so amorfni silicijev dioksid, npr. dimljeni silicijev dioksid, silicijev dim, oborjeni silicijev dioksid za izboljšanje lastnosti materiala glede dinamičnih mehanskih lastnosti, odpornosti na toplotno staranje in morfologije. Spojine, napolnjene s silicijevim dioksidom, kažejo naraščajočo viskoznost in gostoto navzkrižne povezave oziroma naraščajočo vsebnost polnila. Trdota, modul, natezna trdnost in lastnosti obrabe so se postopoma izboljševale s povečanjem količine silicijevega polnila.
Saje
Saje so oblika parakristalnega ogljika s kemično sorbiranimi kisikovimi kompleksi (kot so karboksilne, kinonske, laktonske, fenolne skupine in drugi), ki so pritrjeni na njegovo površino. Te površinske kisikove skupine so običajno združene pod izrazom “hlapni kompleksi”. Zaradi te hlapne vsebnosti so saje neprevodni material. S kompleksi ogljik-kisik se funkcionalizirani delci saj lažje razpršijo.
Zaradi visokega razmerja med površino in prostornino saj je običajno ojačevalno polnilo. Skoraj vsi izdelki iz gume, za katere sta bistvenega pomena natezna trdnost in odpornost proti obrabi, uporabljajo saje. Oborjeni ali dimljeni silicijev dioksid se uporablja kot nadomestek za saje, kadar je potrebna ojačitev gume, vendar se je treba izogibati črni barvi. Vendar pa polnila na osnovi silicijevega dioksida pridobivajo tudi tržni delež v avtomobilskih pnevmatikah, saj uporaba silicijevih polnil povzroči manjše kotalne izgube v primerjavi s pnevmatikami, napolnjenimi s sajami.
Spodnja tabela vsebuje pregled vrst saje, ki se uporabljajo v pnevmatikah
| Ime | Abbrev. | Astm | Velikost delcev nm | Natezna trdnost MPa | Relativna laboratorijska abrazija | Relativna obrabina cestnih oblačil |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Super peč za abrazijo | SV | N110 | 20–25 | 25.2 | 1.35 | 1.25 |
| Vmesni SV | Isaf | N220 | 24–33 | 23.1 | 1.25 | 1.15 |
| Peč z visoko abrazijo | HAF | N330 | 28–36 | 22.4 | 1.00 | 1.00 |
| Enostaven kanal obdelave | Evropska poklicna izkušnja | N300 | 30–35 | 21.7 | 0.80 | 0.90 |
| Hitra ekstrudacijska peč | FEF | N550 | 39–55 | 18.2 | 0.64 | 0.72 |
| Peč z visokim modulom | HMF | N660 | 49–73 | 16.1 | 0.56 | 0.66 |
| Pol-ojačitvena peč | Enotni sklad za reševanje | N770 | 70–96 | 14.7 | 0.48 | 0.60 |
| Fino toplotno | FT | N880 | 180–200 | 12.6 | 0.22 | – |
| Srednje toplotno | MT | N990 | 250–350 | 9.8 | 0.18 | – |
Grafen oksid
Grafen oksid, razpršen v SBR, ima za posledico visoko natezno trdnost in trdnost na trganje, kot tudi izjemno odpornost proti obrabi in nizko kotalno odpornost, kar so pomembne lastnosti materiala za izdelavo pnevmatik. SBR, ojačan s grafen-oksidom in silicijevim dioksidom, ponuja konkurenčno alternativo za okolju prijazno proizvodnjo pnevmatik, kot tudi za proizvodnjo visoko zmogljivih gumijastih kompozitov. Grafen in grafen oksid se lahko uspešno, zanesljivo in enostavno luščita pod ultrazvočnim razbijanjem. Kliknite tukaj, če želite izvedeti več o ultrazvočni izdelavi grafena!