Formulimi me ultratinguj i kompoziteve të përforcuara
- Kompozitet shfaqin veti unike të materialit, si qëndrueshmëri termike, modul elasticiteti, rezistencë në tërheqje dhe rezistencë ndaj thyerjes dukshëm të përmirësuara, prandaj përdoren gjerësisht në prodhimin e produkteve të shumëllojshme.
- Është vërtetuar se sonikimi prodhon nanokompozite me cilësi të lartë me CNT, grafen etj. të disperguara në shkallë të lartë.
- Pajisjet me ultratinguj për formulimin e kompoziteve të përforcuara janë të disponueshme në shkallë industriale.
Nanokompozitet
Nanokompozitet shquhen për vetitë e tyre mekanike, elektrike, termike, optike, elektrokimike dhe/ose katalitike.
Për shkak të raportit jashtëzakonisht të lartë të sipërfaqes ndaj vëllimit të fazës përforcuese dhe/ose raportit jashtëzakonisht të lartë të gjatësisë ndaj përmasës tërthore, nanokompozitet kanë performancë dukshëm më të lartë se kompozitet konvencionale. Nanogrimcat si silici sferik, fletëzat minerale si grafeni i eksfoliuar ose argjila, apo nanofibrat si nanotubat e karbonit ose fibrat e prodhuara me tjerrje elektrostatike përdoren shpesh për përforcim.
Për shembull, nanotubat e karbonit shtohen për të përmirësuar përçueshmërinë elektrike dhe termike, ndërsa nanosilici përdoret për të përmirësuar vetitë mekanike, termike dhe të rezistencës ndaj ujit. Lloje të tjera nanogrimcash japin veti të përmirësuara optike, veti dielektrike, rezistencë ndaj nxehtësisë ose veti mekanike si ngurtësia, rezistenca dhe qëndrueshmëria ndaj korrozionit dhe dëmtimeve.
Shembuj të nanokompoziteve të formuluara me ultratinguj:
- nanotuba karboni (CNT) në një matricë esteri vinilik
- CNT / struktura karboni në formë qepe / nanodiamante në një matricë metalike nikeli
- CNT në një matricë aliazhi magnezi
- CNT në një matricë alkooli polivinilik (PVA)
- nanotub karboni me shumë mure (MWCNT) në një matricë rrëshire epokside (duke përdorur anhidridin metiltetrahidroftalik (MTHPA) si agjent ngurtësues)
- oksid grafeni në një matricë poli(alkooli vinilik) (PVA)
- nanogrimca SiC në një matricë magnezi
- nanosilic (Aerosil) në një matricë polistireni
- oksid hekuri magnetik në një matricë poliuretani (PU) fleksibël
- oksid nikeli në një grafit/poli(klorur vinili)
- nanogrimca dioksidi titani në një matricë acidi poli(laktik-ko-glikolik) (PLGA)
- nanohidroksiapatit në një matricë acidi poli(laktik-ko-glikolik) (PLGA)
Dispergimi me ultratinguj
Parametrat e procesit me ultratinguj mund të kontrollohen me saktësi dhe të përshtaten në mënyrë optimale me përbërjen e materialit dhe cilësinë e dëshiruar të produktit përfundimtar. Dispergimi me ultratinguj është teknika e rekomanduar për përfshirjen e nanogrimcave si CNT ose grafeni në nanokompozite. Dispergimi me ultratinguj dhe formulimi i nanokompoziteve është një metodë e konsoliduar, e testuar prej kohësh në nivel shkencor dhe e zbatuar në shumë impiante prodhimi industrial. Përvoja e gjatë e Hielscher në përpunimin e nanomaterialeve me ultratinguj siguron këshillim të thelluar, rekomandimin e një konfigurimi të përshtatshëm pajisjesh me ultratinguj dhe asistencë gjatë zhvillimit dhe optimizimit të procesit.
Në shumicën e rasteve, nanogrimcat përforcuese dispergohen në matricë gjatë përpunimit. Përqindja në peshë (fraksioni masik) e nanomaterialit të shtuar është në intervalin e ulët, p.sh. nga 0,5% në 5%, pasi dispergimi uniform i arritur me sonikim mundëson kursimin e mbushësve përforcues dhe performancë më të lartë përforcimi.
Një zbatim tipik i ultratingujve në prodhim është formulimi i një kompoziti nanogrimca–rrëshirë. Për të prodhuar ester vinilik të përforcuar me CNT, sonikimi përdoret për të disperguar dhe funksionalizuar CNT. Këto kompozite CNT–ester vinilik karakterizohen nga veti elektrike dhe mekanike të përmirësuara.
Klikoni këtu për të lexuar më shumë rreth dispergimit të CNT!
Nanogrimcë e funksionalizuar me ultratinguj
Pajisje me ultratinguj UIP1500hd me reaktor me rrjedhje të vazhdueshme
Grafeni
Grafeni ofron veti fizike të jashtëzakonshme, raport të lartë përmasash dhe dendësi të ulët. Grafeni dhe oksidi i grafenit integrohen në një matricë kompozite për të përftuar polimere të lehta me rezistencë të lartë mekanike. Për të arritur përforcimin mekanik, fletët / pllakëzat e grafenit duhet të dispergohen shumë imët, sepse fletët e aglomeruara të grafenit e kufizojnë në mënyrë drastike efektin përforcues.
Hulumtimet shkencore kanë treguar se shkalla e përmirësimit varet kryesisht nga shkalla e dispergimit të fletëve të grafenit në matricë. Vetëm grafeni i disperguar në mënyrë homogjene jep efektet e dëshiruara. Për shkak të hidrofobicitetit të tij të fortë dhe tërheqjes së van der Waals-it, grafeni ka prirje të agregohet dhe të aglomerohet në luspa të përbëra nga fletë me një shtresë të vetme, të cilat ndërveprojnë dobët me njëra-tjetrën.
Ndërsa teknikat e zakonshme të dispergimit shpesh nuk mund të prodhojnë dispersione homogjene të grafenit pa e dëmtuar atë, pajisjet ultrasonike me fuqi të lartë prodhojnë dispersione grafeni me cilësi të lartë. Pajisjet ultrasonike të Hielscher përpunojnë pa vështirësi grafen të pamodifikuar, oksid grafeni dhe oksid grafeni të reduktuar, nga përqendrime të ulëta deri në të larta dhe nga vëllime të vogla deri në të mëdha. Një tretës i përdorur zakonisht është N-metil-2-pirrolidoni (NMP), por me ultratinguj me fuqi të lartë, grafeni mund të dispergohet edhe në tretës të dobët me pikë të ulët vlimi, si acetoni, kloroformi, IPA dhe cikloheksanoni.
Klikoni këtu për të lexuar më shumë rreth eksfolimit të grafenit në sasi të mëdha!
Nanotubat e karbonit dhe nanomateriale të tjera
Është vërtetuar se ultratingujt me fuqi të lartë japin dispersione me grimca të imëta të nanomaterialeve të ndryshme, duke përfshirë nanotubat e karbonit (CNTs), SWNTs, MWNTs, fulerenet, silicën (SiO2), dioksidin e titanit (TiO2), argjendin (Ag), oksidin e zinkut (ZnO), celulozën e nanofibriluar dhe shumë të tjera. Në përgjithësi, sonikimi i tejkalon disperguesit konvencionalë për nga performanca dhe mund të arrijë rezultate unike.
Përveç bluarjes dhe dispergimit të nanogrimcave, rezultate të shkëlqyera arrihen duke sintetizuar nanogrimca përmes precipitimit ultrasonik (sintezë nga poshtë lart). Është vërejtur se madhësia e grimcave, p.sh. të magnetitit, molibdatit të natriumit dhe zinkut dhe materialeve të tjera të sintetizuara me ultratinguj, është më e vogël krahasuar me atë të përftuar me metodën konvencionale. Madhësia më e vogël i atribuohet shpejtësisë së rritur të bërthamëzimit dhe mënyrave më të mira të përzierjes falë forcave prerëse dhe turbulencës së krijuar nga kavitacioni ultrasonik.
Klikoni këtu për të mësuar më shumë rreth precipitimit ultrasonik nga poshtë lart!
Funksionalizimi i grimcave me ultratinguj
Sipërfaqja specifike e një grimce rritet me zvogëlimin e madhësisë së saj. Veçanërisht në nanoteknologji, shfaqja e karakteristikave të materialit rritet ndjeshëm falë sipërfaqes së zmadhuar të grimcës. Sipërfaqja mund të zmadhohet me ultratinguj dhe të modifikohet duke lidhur molekula funksionale të përshtatshme në sipërfaqen e grimcës. Për sa i përket aplikimit dhe përdorimit të nanomaterialeve, vetitë e sipërfaqes janë po aq të rëndësishme sa vetitë e bërthamës së grimcës.
Grimcat e funksionalizuara me ultratinguj përdoren gjerësisht në polimere, kompozite & biokompozite, nanofluide, pajisje të montuara, nanomedikamente etj. Përmes funksionalizimit të grimcave, karakteristika si qëndrueshmëria, rezistenca mekanike & ngurtësia, tretshmëria, polidispersiteti, fluoreshenca, magnetizmi, superparamagnetizmi, përthithja optike, dendësia e lartë elektronike, fotolumineshenca etj. përmirësohen në mënyrë drastike.
Grimcat e zakonshme që funksionalizohen komercialisht me sistemet ultrasonike të Hielscher përfshijnë CNTs, SWNTs, MWNTs, grafenin, grafitin, silicën (SiO2), nanodiamantet, magnetitin (oksid hekuri, Fe3O4), nanogrimcat e argjendit, nanogrimcat e arit, nanogrimcat poroze & mezoporoze etj.
Klikoni këtu për të parë shënime të përzgjedhura mbi aplikimet e trajtimit të grimcave me ultratinguj!
Dispergues ultrasonikë
Pajisjet e Hielscher për dispergim me ultratinguj janë të disponueshme për laborator, përdorim mbi tavolinë dhe prodhim industrial. Aparatet me ultratinguj të Hielscher janë të besueshme, të qëndrueshme, të lehta për t’u përdorur dhe pastruar. Pajisjet janë projektuar për funksionim 24/7 në kushte të rënda pune. Sistemet me ultratinguj mund të përdoren për përpunim me lote dhe në linjë – fleksibël dhe lehtësisht të përshtatshme për procesin dhe kërkesat tuaja.
Kapacitetet e përpunimit me ultratinguj me lote dhe në linjë
| Vëllimi i lotit | Prurja | Pajisjet e rekomanduara |
|---|---|---|
| 5 deri në 200mL | 50 deri në 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 deri në 2L | 0,25 deri në 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 deri në 10L | 1 deri në 8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 deri në 30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | mbi 30m3/hr | grup pajisjesh UIP10000 ose UIP16000 |
Pajisje laboratorike me ultratinguj për funksionalizimin e grimcave
Literaturë/Referenca
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Studimi i performancës së frenimit të korrozionit të nanopigmentit të molibdatit të natriumit dhe zinkut, të përgatitur me ultratinguj, në një veshje epokside-poliamide me dy përbërës. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Përgatitja e nanokompoziteve të reja magnetike të shkumës së poliuretanit duke përdorur nanogrimca me bërthamë dhe mbështjellës. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Përgatitja e materialit kompozit të oksidit të grafenit–polistirenit. Konferenca e 3-të Ndërkombëtare për Mjedisin, Kiminë dhe Biologjinë. IPCBEE vol.78, 2014.
Fakte që ia vlen të njihen
Rreth materialeve kompozite
Materialet kompozite (të njohura edhe si materiale të përbëra) përshkruhen si materiale të prodhuara nga dy ose më shumë përbërës që karakterizohen nga veti fizike ose kimike dukshëm të ndryshme. Kur këto materiale përbërëse kombinohen, prodhohet një material i ri – i ashtuquajturi kompozit – i cili shfaq karakteristika të ndryshme nga ato të përbërësve individualë. Përbërësit individualë mbeten të veçuar dhe të dallueshëm brenda strukturës së përfunduar.
Materiali i ri ka veti më të mira, p.sh. është më i fortë, më i lehtë, më rezistent ose më pak i kushtueshëm krahasuar me materialet konvencionale. Përmirësimet e nanokompoziteve shtrihen nga vetitë mekanike, elektrike / përçuese, termike, optike dhe elektrokimike deri te vetitë katalitike.
Materialet kompozite tipike të projektuara përfshijnë:
- biokompozitet
- plastikat e përforcuara, si polimeri i përforcuar me fibra
- kompozitet metalike
- kompozitet qeramike (kompozite me matricë qeramike dhe me matricë metalike)
Materialet kompozite përdoren përgjithësisht si materiale ndërtimore dhe strukturore, si trupat e anijeve, sipërfaqet e banakëve, karroceritë e makinave, vaskat, rezervuarët e magazinimit, graniti imitues dhe lavamanët prej mermeri artificial, si edhe në mjetet hapësinore dhe avionët.
Kompozitet mund të përdorin gjithashtu fibra metalike që përforcojnë metale të tjera, si në kompozitet me matricë metalike (MMC) ose kompozitet me matricë qeramike (CMC), ku përfshihen kocka (hidroksiapatit i përforcuar me fibra kolagjeni), cermeti (qeramikë dhe metal) dhe betoni.
Kompozitet me matricë organike/agregat qeramik përfshijnë betonin asfaltik, betonin polimerik, asfaltin mastik, hibridin e mastikut me rul, kompozitin dentar, shkumën sintaktike dhe sedefin.
Rreth efekteve të ultratingujve mbi grimcat
Vetitë e grimcave mund të vërehen kur madhësia e grimcave zvogëlohet në një nivel të caktuar (i njohur si madhësia kritike). Kur përmasat e grimcave arrijnë nivelin nanometrik, ndërveprimet në ndërfaqet ndërmjet fazave përmirësohen ndjeshëm, gjë që është thelbësore për përmirësimin e karakteristikave të materialeve. Prandaj, raporti sipërfaqe : vëllim i materialeve që përdoren për përforcim në nanokompozite ka rëndësinë më të madhe. Nanokompozitet ofrojnë përparësi teknologjike dhe ekonomike për pothuajse të gjithë sektorët e industrisë, përfshirë sektorin e hapësirës ajrore dhe kozmike, të automobilave, elektronik, bioteknologjik, farmaceutik dhe mjekësor. Një tjetër përparësi e madhe është ndikimi i tyre miqësor ndaj mjedisit.
Ultratingujt me fuqi të lartë përmirësojnë lagshmërinë dhe homogjenizimin ndërmjet matricës dhe grimcave përmes përzierjes dhe dispergimit intensiv – të shkaktuar nga kavitacioni ultrasonik. Meqenëse trajtimi me ultratinguj është metoda më e përdorur dhe më e suksesshme e dispergimit të nanomaterialeve, sistemet me ultratinguj të Hielscher janë instaluar në laboratorë, impiante pilot dhe njësi prodhimi në mbarë botën.