Ултразвучно формулисање ојачаних композита
- Композити показују јединствена својства материјала, као што су знатно побољшана термичка стабилност, модул еластичности, затезна чврстоћа и чврстоћа при лому, па се стога широко користе у производњи разноврсних производа.
- Доказано је да се соникацијом добијају висококвалитетни нанокомпозити са високо диспергованим угљеничним наноцевима (CNT), графеном итд.
- Ултразвучна опрема за формулисање ојачаних композита доступна је у индустријским размерама.
Нанокомпозити
Нанокомпозити се одликују својим механичким, електричним, термичким, оптичким, електрохемијским и/или каталитичким својствима.
Због изузетно високог односа површине и запремине ојачавајуће фазе и/или изузетно високог односа димензија, нанокомпозити имају знатно боља својства од конвенционалних композита. За ојачавање се често користе наночестице као што је сферни силицијум-диоксид, минерални листићи као што су ексфолирани графен или глина, или нановлакна као што су угљеничне наноцеви или електропредена влакна.
На пример, угљеничне наноцеви се додају ради побољшања електричне и топлотне проводљивости, док се наносилицијум-диоксид користи за побољшање механичких и термичких својстава, као и отпорности на воду. Друге врсте наночестица побољшавају оптичка својства, диелектрична својства, отпорност на топлоту или механичка својства као што су крутост, чврстоћа и отпорност на корозију и оштећења.
Примери нанокомпозита формулисаних ултразвуком:
- угљеничне наноцеви (CNT) у винилестарској матрици
- CNT / угљеничне луковичасте наноструктуре / нанодијаманти у металној матрици од никла
- CNT у матрици од легуре магнезијума
- CNT у матрици од поливинил-алкохола (PVA)
- вишезидна угљенична наноцев (MWCNT) у матрици од епоксидне смоле (уз употребу метилтетрахидрофталног анхидрида (MTHPA) као средства за очвршћавање)
- графен-оксид у матрици од поли(винил-алкохола) (PVA)
- наночестице SiC у магнезијумској матрици
- наносилицијум-диоксид (Aerosil) у полистиренској матрици
- магнетни оксид гвожђа у флексибилној полиуретанској (PU) матрици
- никл-оксид у графиту/поли(винил-хлориду)
- наночестице титанијум-диоксида у матрици од поли(млечне-ко-гликолне киселине) (PLGA)
- нанохидроксиапатит у матрици од поли(млечне-ко-гликолне киселине) (PLGA)
Ултразвучно дисперговање
Параметри ултразвучног процеса могу се прецизно контролисати и оптимално прилагодити саставу материјала и жељеном квалитету добијеног производа. Ултразвучно дисперговање је препоручена техника за уградњу наночестица као што су CNT или графен у нанокомпозите. Ултразвучно дисперговање и формулисање нанокомпозита је добро утврђена метода, дуго испитивана на научном нивоу и примењена у многим индустријским производним погонима. Дугогодишње искуство компаније Hielscher у ултразвучној обради наноматеријала обезбеђује темељно саветовање, препоруку одговарајуће ултразвучне поставке и помоћ током развоја и оптимизације процеса.
Ојачавајуће наночестице се углавном диспергују у матрици током обраде. Масени проценат (масени удео) додатог наноматеријала креће се у нижем опсегу, нпр. од 0,5% до 5%, јер равномерно дисперговање постигнуто соникацијом омогућава уштеду ојачавајућих пунила и већи учинак ојачавања.
Типична примена ултразвука у производњи је формулисање композита од наночестица и смоле. За производњу винил-естра ојачаног CNT, соникација се користи за дисперговање и функционализацију CNT. Ове винил-естре са CNT одликују побољшана електрична и механичка својства.
Кликните овде да бисте прочитали више о дисперговању CNT!
Графен
Графен има изузетна физичка својства, висок однос димензија и малу густину. Графен и графен-оксид уграђују се у композитну матрицу ради добијања лаких полимера високе чврстоће. Да би се постигло механичко ојачање, листови / плочице графена морају бити веома фино дисперговани, јер агломерисани листови графена драстично ограничавају ефекат ојачања.
Научна истраживања показала су да степен побољшања углавном зависи од степена диспергованости листова графена у матрици. Само хомогено диспергован графен даје жељене ефекте. Због изражене хидрофобности и Ван дер Валсовог привлачења, графен је склон агрегацији и агломерацији у љуспице сачињене од једнослојних листова који слабо међусобно интерагују.
Док уобичајене технике дисперговања често не могу да произведу хомогене дисперзије неоштећеног графена, ултразвучни уређаји велике снаге производе висококвалитетне дисперзије графена. Ултразвучни уређаји компаније Hielscher без потешкоћа обрађују изворни графен, графен-оксид и редуковани графен-оксид, од ниских до високих концентрација и од малих до великих запремина. Често коришћен растварач је N-метил-2-пиролидон (NMP), али се ултразвуком велике снаге графен може дисперговати чак и у слабим растварачима са ниском тачком кључања, као што су ацетон, хлороформ, IPA и циклохексанон.
Кликните овде да прочитате више о ексфолијацији графена у великим количинама!
Угљеничне наноцеви и други наноматеријали
Доказано је да ултразвук велике снаге даје дисперзије са ситним честицама различитих наноматеријала, укључујући угљеничне наноцеви (CNTs), SWNTs, MWNTs, фулерене, силицијум-диоксид (SiO2), титан-диоксид (TiO2), сребро (Ag), цинк-оксид (ZnO), нанофибрилисану целулозу и многе друге. Уопштено, соникација надмашује конвенционалне диспергаторе и може постићи јединствене резултате.
Поред уситњавања и дисперговања наночестица, одлични резултати постижу се синтезом наночестица путем ултразвучног таложења (синтеза одоздо нагоре). Уочено је да је величина честица, нпр. ултразвучно синтетисаног магнетита, молибдата натријума и цинка и других материјала, мања у поређењу са величином добијеном конвенционалном методом. Мања величина приписује се повећаној брзини нуклеације и бољем мешању услед смицања и турбуленције које ствара ултразвучна кавитација.
Кликните овде да сазнате више о ултразвучном таложењу одоздо нагоре!
Ултразвучна функционализација честица
Специфична површина честице повећава се са смањењем њене величине. Нарочито у нанотехнологији, својства материјала постају знатно израженија услед повећања површине честице. Површина се може ултразвучно повећати и модификовати везивањем одговарајућих функционалних молекула за површину честице. Када је реч о примени и употреби наноматеријала, површинска својства подједнако су важна као и својства језгра честице.
Ултразвучно функционализоване честице широко се користе у полимерима, композитима и биокомпозитима, нанофлуидима, склопљеним уређајима, нанолековима итд. Функционализацијом честица драстично се побољшавају својства као што су стабилност, чврстоћа и крутост, растворљивост, полидисперзност, флуоресценција, магнетизам, суперпарамагнетизам, оптичка апсорпција, висока електронска густина, фотолуминисценција итд.
Уобичајене честице које се комерцијално функционализују ултразвучним системима компаније Hielscher обухватају CNTs, SWNTs, MWNTs, графен, графит, силицијум-диоксид (SiO2), нанодијаманте, магнетит (оксид гвожђа, Fe3O4), наночестице сребра, наночестице злата, порозне и мезопорозне наночестице итд.
Кликните овде да погледате одабране напомене о применама ултразвучне обраде честица!
Ултразвучни диспергатори
Hielscher опрема за ултразвучно дисперговање доступна је за лабораторијску примену, рад на лабораторијском столу и индустријску производњу. Hielscher ултразвучни уређаји су поуздани, робусни и једноставни за руковање и чишћење. Опрема је пројектована за рад 24/7 у условима великог оптерећења. Ултразвучни системи могу се користити за шаржну и проточну обраду – флексибилни су и лако се прилагођавају вашем процесу и захтевима.
Капацитети ултразвучних система за шаржну и проточну обраду
| Запремина шарже | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 5 до 200mL | 50 до 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1 до 2L | 0,25 до 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4 до 10L | 1 до 8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 до 30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | преко 30m3/hr | група уређаја UIP10000 или UIP16000 |
Лабораторијски ултразвучни уређај за функционализацију честица
Литература/референце
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): „Испитивање ефикасности инхибиције корозије ултразвучно припремљеног нанопигмента натријум-цинк-молибдата у двокомпонентном епоксидно-полиамидном премазу. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833–852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Припрема нових магнетних нанокомпозита полиуретанске пене коришћењем наночестица са структуром језгро–омотач. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Припрема композитног материјала од графен-оксида и полистирена. 3. међународна конференција о животној средини, хемији и биологији. IPCBEE vol.78, 2014.
Чињенице које вреди знати
О композитним материјалима
Композитни материјали (познати и као сложени материјали) описују се као материјали сачињени од две или више компоненти које се одликују значајно различитим физичким или хемијским својствима. Када се те компоненте споје, настаје нов материјал – такозвани композит – који показује карактеристике различите од карактеристика појединачних компоненти. Појединачне компоненте остају одвојене и међусобно различите унутар готове структуре.
Нови материјал има боља својства, нпр. чвршћи је, лакши, отпорнији или јефтинији у поређењу са конвенционалним материјалима. Побољшања својстава нанокомпозита обухватају механичка, електрична / проводна, термичка, оптичка, електрохемијска и каталитичка својства.
Типични пројектовани композитни материјали обухватају:
- биокомпозите
- ојачане пластичне масе, као што је полимер ојачан влакнима
- металне композите
- керамичке композите (композите са керамичком матрицом и композите са металном матрицом)
Композитни материјали се обично користе као грађевински и конструкциони материјали, на пример за трупове чамаца, радне плоче, каросерије аутомобила, каде, резервоаре за складиштење, имитацију гранита и умиваонике од вештачког мермера, као и у свемирским летелицама и авионима.
У композитима се могу користити и метална влакна која ојачавају друге метале, као у композитима са металном матрицом (MMC) или композитима са керамичком матрицом (CMC), што укључује кост (хидроксиапатит ојачан колагенским влакнима), кермет (керамика и метал) и бетон.
Композити са органском матрицом и керамичким агрегатом обухватају асфалтни бетон, полимерни бетон, ливени асфалт, мастик ролер хибрид, дентални композит, синтактичку пену и седеф.
О ултразвучним ефектима на честице
Својства честица могу се уочити када се величина честица смањи до одређеног нивоа (познатог као критична величина). Када димензије честица достигну нанометарски ниво, интеракције на границама фаза знатно се побољшавају, што је кључно за побољшање карактеристика материјала. При томе је однос површине : запремине материјала који се користе за ојачавање нанокомпозита од највећег значаја. Нанокомпозити нуде технолошке и економске предности за готово све секторе индустрије, укључујући ваздухопловни и свемирски, аутомобилски, електронски, биотехнолошки, фармацеутски и медицински сектор. Још једна велика предност је њихова еколошка прихватљивост.
Ултразвук велике снаге побољшава квашљивост и хомогенизацију између матрице и честица интензивним мешањем и дисперговањем – које ствара ултразвучна кавитација. Пошто је соникација најшире коришћена и најуспешнија метода дисперговања наноматеријала, ултразвучни системи компаније Hielscher инсталирани су у лабораторијама, пилот-постројењима и производним погонима широм света.