Ultrazvočna priprava ojačane gume
- Ojačane gume izkazujejo višjo natezno trdnost, večji raztezek, večjo odpornost proti obrabi in boljšo obstojnost pri staranju.
- Polnila, kot so saje (npr. CNTs, MWNTs), grafen ali silicijev dioksid, morajo biti homogeno dispergirana v matrici, da zagotovijo želene lastnosti materiala.
- Močnostni ultrazvok zagotavlja vrhunsko kakovost porazdelitve monodispergiranih nanodelcev z izrazitimi ojačitvenimi lastnostmi.
Ultrazvočno dispergiranje
Ultrazvočna obdelava se pogosto uporablja za dispergiranje nanomaterialov, kot so monodispergirani nanodelci in nanocevke, saj ultrazvok močno izboljša ločevanje in funkcionalizacijo delcev in cevk.
Oprema za ultrazvočno dispergiranje ustvarja kavitacijo in velike strižne sile za razbijanje, deaglomeracijo, razpletanje in dispergiranje nanodelcev in nanocevk. Intenzivnost sonikacije je mogoče natančno prilagajati in nadzorovati, tako da so parametri ultrazvočne obdelave popolnoma prilagojeni ob upoštevanju koncentracije, aglomeracije ter usmerjenosti/prepletenosti nanomateriala. Tako je mogoče nanomateriale optimalno obdelati glede na njihove specifične materialne zahteve. Optimalni pogoji dispergiranja zaradi individualno prilagojenih parametrov ultrazvočnega procesa omogočajo visokokakovosten končni gumeni nanokompozit z vrhunskimi ojačitvenimi lastnostmi nanododatkov in nanopolnil.
Zaradi vrhunske kakovosti ultrazvočnega dispergiranja in s tem dosežene enakomerne disperzije za doseganje odličnih lastnosti materiala zadostuje zelo majhen delež polnila.
Industrijski ultrazvočni sistem
Guma, ojačana s sajami z uporabo ultrazvoka
Saje so eno najpomembnejših polnil v gumah, zlasti za pnevmatike, saj gumenemu materialu zagotavljajo odpornost proti obrabi in natezno trdnost. Delci saj so močno nagnjeni k tvorjenju agregatov, ki jih je težko homogeno dispergirati. Saje se pogosto uporabljajo v barvah, emajlih, tiskarskih črnilih, barvilih za najlon in plastiko, mešanicah lateksa, mešanicah voskov, fotografskih premazih in drugod.
Ultrazvočno dispergiranje omogoča deaglomeracijo in enakomerno mešanje z zelo visoko monodisperznostjo delcev.
Kliknite tukaj za več informacij o ultrazvočnem dispergiranju za ojačane kompozite!
Guma, ojačana s CNT / MWCNT z uporabo ultrazvoka
Ultrazvočni homogenizatorji so zmogljivi sistemi za dispergiranje, ki jih je mogoče natančno nadzorovati in prilagajati zahtevam procesa in materiala. Natančen nadzor parametrov ultrazvočnega procesa je še posebej pomemben pri dispergiranju nanocevk, kot so MWNTs ali SWNTs, saj je treba nanocevke razplesti v posamezne cevke, ne da bi jih poškodovali (npr. s pretrganjem). Nepoškodovane nanocevke imajo visoko razmerje med dolžino in premerom (do 132.000.000:1), zato ob vključitvi v kompozit zagotavljajo izjemno trdnost in togost. Zmogljiva, natančno prilagojena sonikacija premaga van der Waalsove sile ter dispergira in razplete nanocevke, kar omogoča gumeni material z visokimi zmogljivostmi, izjemno natezno trdnostjo in modulom elastičnosti.
Poleg tega se ultrazvočna funkcionalizacija uporablja za spreminjanje ogljikovih nanocevk, da se dosežejo želene lastnosti, ki jih je mogoče uporabiti v številnih aplikacijah.
Ultrazvočne naprave za kontinuirano dispergiranje nanomaterialov, saj ali aktivnega oglja.
Guma, ojačana z nanosilicijevim dioksidom z uporabo ultrazvoka
Ultrazvočni dispergatorji zagotavljajo zelo enakomerno porazdelitev nanodelcev silicijevega dioksida (SiO2) v raztopinah gumenih polimerov. Nanodelci silicijevega dioksida (SiO2) morajo biti homogeno porazdeljeni kot monodispergirani delci v polimeriziranem stiren-butadienu in drugih gumah. Monodispergirani nano-SiO2 deluje kot ojačitveno sredstvo, ki znatno izboljša žilavost, trdnost, raztezek, upogibne lastnosti in odpornost proti staranju. Za nanodelce velja: manjša kot je velikost delcev, večja je njihova specifična površina. Z večjim razmerjem med površino in prostornino (S/V) se dosežejo boljši strukturni in ojačitveni učinki, kar poveča natezno trdnost in trdoto gumenih izdelkov.
Ultrazvočno dispergiranje nanodelcev silicijevega dioksida omogoča natančen nadzor procesnih parametrov, tako da se dosežejo sferična morfologija, natančno prilagojena velikost delcev in zelo ozka porazdelitev velikosti.
Ultrazvočno dispergirani silicijev dioksid zagotavlja najvišjo materialno zmogljivost tako ojačane gume.
Kliknite tukaj za več informacij o ultrazvočnem dispergiranju SiO2!
Ultrazvočno dispergiranje ojačitvenih dodatkov
Dokazano je, da sonikacija dispergira številne druge materiale v obliki nanodelcev in s tem izboljša modul, natezno trdnost in lastnosti gumenih kompozitov pri utrujanju. Ker so velikost, oblika, površina in površinska aktivnost delcev polnil in ojačitvenih dodatkov ključne za njihovo učinkovitost, so zmogljivi in zanesljivi ultrazvočni dispergatorji ena najpogosteje uporabljenih metod za vključevanje delcev mikrometrskih in nanometrskih velikosti v gumene izdelke.
Tipični dodatki in polnila, ki se s sonikacijo vključujejo v gumene matrice kot enakomerno porazdeljeni ali monodispergirani delci, so kalcijev karbonat, kaolinska glina, pirogeni silicijev dioksid, oborjeni silicijev dioksid, grafitni oksid, grafen, sljuda, smukec, barit, volastonit, oborjeni silikati, pirogeni silicijev dioksid in diatomit.
Ko se z oleinsko kislino funkcionalizirani nanodelci TiO2 z ultrazvokom dispergirajo v stiren-butadienskem kavčuku, že zelo majhna količina oleic-SiO2 znatno izboljša modul, natezno trdnost in lastnosti pri utrujanju ter deluje kot zaščitno sredstvo pred fotodegradacijo in toplotno degradacijo.
- Aluminijev oksid trihidrat (Al2O3) se dodaja kot zaviralec gorenja, za izboljšanje toplotne prevodnosti ter za odpornost proti nastajanju prevodnih poti in eroziji.
- Polnila iz 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 in reoloških lastnosti ter lastnosti zaviranja gorenja.
- Barijev titanat (BaTiO3) poveča toplotno stabilnost.
- Grafen in grafenov oksid (GO) zagotavljata vrhunske mehanske, električne, toplotne in optične lastnosti materiala.
- Ogljikove nanocevke (CNTs) znatno izboljšajo mehanske lastnosti, kot so natezna trdnost ter električna in toplotna prevodnost.
- Večstenske ogljikove nanocevke (MWNTs) izboljšajo Youngov modul in mejo tečenja. Že 1 wt.% MWNTs v epoksidu na primer povzroči povečanje Youngovega modula za 100% in meje tečenja za 200% v primerjavi s čisto matrico.
- Enostenske ogljikove nanocevke (SWNTs) izboljšajo mehanske lastnosti in toplotno prevodnost.
- Ogljikova nanovlakna (CNF) povečajo trdnost, toplotno odpornost in trajnost.
- Kovinski nanodelci, kot so nikelj, železo, baker, cink, aluminij in srebro , se dodajajo za izboljšanje električne in toplotne prevodnosti.
- Organski nanomateriali, kot je montmorilonit , izboljšajo mehanske lastnosti in lastnosti zaviranja gorenja.
Sistemi za ultrazvočno dispergiranje
Hielscher Ultrasonics ponuja širok nabor ultrazvočne opreme – od manjših namiznih sistemov za preskuse izvedljivosti do visokoobremenljivih industrijskih ultrazvočnih enot z do 16kW na enoto. Zaradi moči, zanesljivosti, možnosti natančnega nadzora in robustnosti so sistemi za ultrazvočno dispergiranje Hielscher »delovni konj« v proizvodni liniji formulacij z delci mikrometrskih in nanometrskih velikosti. Naše ultrazvočne naprave zlahka obdelujejo vodne disperzije in disperzije na osnovi topil tudi pri visokih viskoznostih (do 10.000cp) . Različne sonotrode (ultrazvočni rogovi), ojačevalniki (za povečanje/zmanjšanje amplitude), geometrije pretočnih celic in drugi dodatki omogočajo optimalno prilagoditev ultrazvočnega dispergatorja izdelku in njegovim procesnim zahtevam.
Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200µm je mogoče brez odlašanja uporabljati neprekinjeno pri delovanju 24/7. Za še višje amplitude so na voljo ultrazvočne sonotrode po meri. Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča 24/7 delovanje pri visokih obremenitvah in v zahtevnih okoljih. Ultrazvočni dispergatorji Hielscher so nameščeni po vsem svetu za obsežno komercialno proizvodnjo.
Ultrazvočni sistem po meri za nanodisperzije
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Literatura / Viri
- 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.
Koristna dejstva
Sintetični kavčuk
Sintetični kavčuk je vsak umetni elastomer. Sintetični kavčuki so večinoma polimeri, sintetizirani iz stranskih produktov nafte, in se tako kot drugi polimeri izdelujejo iz različnih monomerov na osnovi nafte. Najbolj razširjen sintetični kavčuk je stiren-butadienski kavčuk (SBR), ki nastane s kopolimerizacijo stirena in 1,3-butadiena. Drugi sintetični kavčuki se pripravljajo iz izoprena (2-metil-1,3-butadiena), kloroprena (2-kloro-1,3-butadiena) in izobutilena (metilpropena) z majhnim odstotkom izoprena za zamreženje. Te in druge monomere je mogoče mešati v različnih razmerjih in jih kopolimerizirati za izdelavo izdelkov z različnimi fizikalnimi, mehanskimi in kemijskimi lastnostmi. Monomere je mogoče proizvesti v čisti obliki, dodajanje nečistoč ali dodatkov pa načrtno nadzorovati za doseganje optimalnih lastnosti. Polimerizacijo čistih monomerov je mogoče bolje nadzorovati, da se doseže želeno razmerje dvojnih vezi cis in trans.
Sintetični kavčuk se tako kot naravni kavčuk pogosto uporablja v avtomobilski industriji za pnevmatike, profile za vrata in okna, cevi, jermene, preproge in talne obloge.
Naravni kavčuk
Naravni kavčuk je znan tudi kot indijski kavčuk ali kavčuk. Naravni kavčuk se uvršča med elastomere in je sestavljen predvsem iz polimerov organske spojine poli-cis-izoprena in vode. Vsebuje sledove nečistoč, kot so beljakovine, umazanija itd. Naravni kavčuk, ki se pridobiva kot lateks iz kavčukovca Hevea Brasiliensis, izkazuje odlične mehanske lastnosti. V primerjavi s sintetičnimi kavčuki pa ima naravni kavčuk slabšo materialno zmogljivost, zlasti glede toplotne stabilnosti in združljivosti z naftnimi proizvodi. Naravni kavčuk ima širok spekter uporabe, bodisi samostojno bodisi v kombinaciji z drugimi materiali. Večinoma se uporablja zaradi velikega razmerja raztezanja, visoke odbojne elastičnosti in izjemno visoke vodotesnosti. Tališče kavčuka je približno 180°C (356°F).
Spodnja tabela podaja pregled različnih vrst kavčuka:
| ISO | Tehnično ime | Običajno ime |
|---|---|---|
| ACM | Poliakrilatni kavčuk | |
| AEM | Etilen-akrilatni kavčuk | |
| AU | Poliestrski uretan | |
| BIIR | Bromirani izobutilen-izopren | Bromobutil |
| BR | Polibutadien | Buna CB |
| CIIR | Klorirani izobutilen-izopren | Klorobutil, butil |
| CR | Polikloropren | Kloropren, Neoprene |
| CSM | Klorosulfonirani polietilen | Hypalon |
| ECO | Epiklorohidrin | ECO, epiklorohidrin, Epichlore, Epichloridrine, Herclor, Hydrin |
| EP | Etilen-propilen | |
| EPDM | Etilen-propilen-dienski monomer | EPDM, Nordel |
| EU | Polietrski uretan | |
| FFKM | Perfluoroogljikov kavčuk | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Fluorirani ogljikovodik | Viton, Fluorel |
| FMQ | Fluorosilikon | FMQ, silikonski kavčuk |
| FPM | Fluoroogljikov kavčuk | |
| HNBR | Hidrogenirani nitril-butadien | HNBR |
| IR | Poliizopren | (Sintetični) naravni kavčuk |
| IIR | Izobutilen-izoprenski butil | Butil |
| NBR | Akrilonitril-butadien | NBR, nitril, Perbunan, Buna-N |
| PU | Poliuretan | PU, poliuretan |
| SBR | Stiren-butadien | SBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE |
| SEBS | Kopolimer stiren-etilen-butilen-stiren | Kavčuk SEBS |
| SI | Polisiloksan | Silikonski kavčuk |
| VMQ | Vinil-metil-silikon | Silikonski kavčuk |
| XNBR | Akrilonitril-butadien-karboksilni monomer | XNBR, karboksilirani nitril |
| XSBR | Stiren-butadien-karboksilni monomer | |
| YBPO | Termoplastični polieter-ester | |
| YSBR | Stiren-butadienski blok kopolimer | |
| YXSBR | Stiren-butadien-karboksilni blok kopolimer |
SBR
Stiren-butadien oziroma stiren-butadienski kavčuk (SBR) označuje sintetične kavčuke, pridobljene iz stirena in butadiena. Za ojačani stiren-butadien sta značilni visoka odpornost proti obrabi in dobra odpornost proti staranju. Razmerje med stirenom in butadienom določa lastnosti polimera: pri visoki vsebnosti stirena postanejo kavčuki trši in manj gumasti.
Omejitve neojačanega SBR so posledica njegove nizke trdnosti brez ojačitve, nizke odbojne elastičnosti, nizke odpornosti proti trganju (zlasti pri visokih temperaturah) in slabe lepljivosti. Zato so za izboljšanje lastnosti SBR potrebna ojačitvena sredstva in polnila. Polnila iz saj se na primer uporabljajo za znatno povečanje trdnosti in odpornosti proti obrabi.
Stiren
Stiren (C8H8) je znan pod različnimi imeni, kot so etenilbenzen, vinilbenzen, fenileten, feniletilen, cinamen, stirol, diarex HF 77, stirolen in stiropol. Je organska spojina s kemijsko formulo C6H5CH=CH2. Stiren je prekurzor polistirena in več kopolimerov.
Je derivat benzena in se pojavlja kot brezbarvna oljnata tekočina, ki zlahka izhlapeva. Stiren ima sladkast vonj, ki pri visokih koncentracijah postane manj prijeten.
V prisotnosti vinilne skupine stiren tvori polimer. Polimeri na osnovi stirena se komercialno proizvajajo za pridobivanje izdelkov, kot so polistiren, ABS, stiren-butadienski kavčuk (SBR), stiren-butadienski 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 duroplastnih zmeseh. Ti materiali so pomembne sestavine za proizvodnjo gume, plastike, izolacije, steklenih vlaken, cevi, avtomobilskih delov in delov plovil, posod za živila ter podlag za preproge.
Uporaba gume
Guma ima številne materialne lastnosti, kot so trdnost, dolga življenjska doba, vodoodpornost in toplotna odpornost. Zaradi teh lastnosti je guma zelo vsestranska, zato se uporablja v številnih panogah. Glavna uporaba gume je v avtomobilski industriji, predvsem za proizvodnjo pnevmatik. Zaradi dodatnih lastnosti, kot so nedrsnost, mehkost, trajnost in odbojna elastičnost, je guma zelo pogosto uporabljen kompozit za proizvodnjo čevljev, talnih oblog, medicinskih in zdravstvenih pripomočkov, gospodinjskih izdelkov, igrač, športnih izdelkov in številnih drugih gumenih izdelkov.
Nanododatki in polnila
Polnila in dodatki nanometrskih velikosti v gumah delujejo kot ojačitvena in zaščitna sredstva za izboljšanje natezne trdnosti, odpornosti proti obrabi, odpornosti proti trganju in histereze ter za zaščito pred fotodegradacijo in toplotno degradacijo gume.
Silicijev dioksid
Silicijev dioksid (SiO2, silicijev dioksid) se uporablja v številnih oblikah, kot so amorfni silicijev dioksid, npr. pirogeni silicijev dioksid, mikrosilika in oborjeni silicijev dioksid, za izboljšanje lastnosti materiala glede dinamičnih mehanskih lastnosti, odpornosti proti toplotnemu staranju in morfologije. Zmesi, polnjene s silicijevim dioksidom, izkazujejo naraščajočo viskoznost in gostoto zamreženja ob povečanju vsebnosti polnila. Trdota, modul, natezna trdnost in obrabne lastnosti so se postopoma izboljševali s povečevanjem količine polnila iz silicijevega dioksida.
Saje
Saje so oblika parakristaliničnega ogljika s kemisorbiranimi kisikovimi kompleksi (kot so karboksilne, kinonske, laktonske, fenolne skupine in druge), vezanimi na njihovo površino. Te površinske kisikove skupine se običajno združujejo pod izrazom »hlapni kompleksi«. Zaradi te vsebnosti hlapnih snovi so saje neprevoden material. Delce saj, funkcionalizirane s kompleksi ogljika in kisika, je lažje dispergirati.
Zaradi visokega razmerja med površino in prostornino so saje pogosto ojačitveno polnilo. Skoraj vsi gumeni izdelki, pri katerih sta bistveni natezna trdnost in odpornost proti obrabi, vsebujejo saje. Oborjeni ali pirogeni silicijev dioksid se uporablja kot nadomestilo za saje, kadar je potrebna ojačitev gume, vendar se je treba izogniti črni barvi. Polnila na osnovi silicijevega dioksida pa pridobivajo tržni delež tudi pri avtomobilskih pnevmatikah, saj njihova uporaba povzroča manjše kotalne izgube v primerjavi s pnevmatikami, polnjenimi s sajami.
Spodnja tabela podaja pregled vrst saj, ki se uporabljajo v pnevmatikah
| Ime | Okrajšava | ASTM | Velikost delcev nm | Natezna trdnost MPa | Relativna laboratorijska obraba | Relativna obraba na cesti |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Pečne saje z izjemno odpornostjo proti obrabi | SAF | N110 | 20–25 | 25,2 | 1,35 | 1,25 |
| Vmesna stopnja SAF | ISAF | N220 | 24–33 | 23,1 | 1,25 | 1,15 |
| Pečne saje z visoko odpornostjo proti obrabi | HAF | N330 | 28–36 | 22,4 | 1,00 | 1,00 |
| Kanalne saje za preprosto obdelavo | EPC | N300 | 30–35 | 21,7 | 0,80 | 0,90 |
| Pečne saje za hitro ekstrudiranje | FEF | N550 | 39–55 | 18,2 | 0,64 | 0,72 |
| Pečne saje z visokim modulom | HMF | N660 | 49–73 | 16,1 | 0,56 | 0,66 |
| Delno ojačitvene pečne saje | SRF | N770 | 70–96 | 14,7 | 0,48 | 0,60 |
| Fine termične saje | FT | N880 | 180–200 | 12,6 | 0,22 | – |
| Srednje fine termične saje | MT | N990 | 250–350 | 9,8 | 0,18 | – |
Grafenov oksid
Grafenov oksid, dispergiran v SBR, zagotavlja visoko natezno trdnost in odpornost proti trganju ter izjemno odpornost proti obrabi in majhen kotalni upor, kar so pomembne materialne lastnosti za proizvodnjo pnevmatik. SBR, ojačan z grafenovim oksidom in silicijevim dioksidom, ponuja konkurenčno alternativo za okolju prijazno proizvodnjo pnevmatik ter za proizvodnjo gumenih kompozitov z visokimi zmogljivostmi. Grafen in grafenov oksid je mogoče s sonikacijo uspešno, zanesljivo in preprosto eksfoliirati. Kliknite tukaj za več informacij o ultrazvočni izdelavi grafena!