Formulering av förstärkta kompositer med ultraljud

• Kompositer uppvisar unika materialegenskaper såsom avsevärt förbättrad termisk stabilitet, elasticitetsmodul, draghållfasthet och brotthållfasthet och används därför i stor utsträckning vid tillverkning av många olika produkter.
• Ultraljudsbehandling har visat sig ge nanokompositer av hög kvalitet med väl dispergerade kolnanorör (CNT), grafen osv.
• Ultraljudsutrustning för formulering av förstärkta kompositer finns tillgänglig i industriell skala.

Nanokompositer

Nanokompositer utmärker sig genom sina mekaniska, elektriska, termiska, optiska, elektrokemiska och/eller katalytiska egenskaper.
Tack vare den förstärkande fasens exceptionellt höga förhållande mellan yta och volym och/eller sitt exceptionellt höga aspektförhållande har nanokompositer avsevärt bättre prestanda än konventionella kompositer. Nanopartiklar såsom sfärisk kiseldioxid, mineralskikt såsom exfolierad grafen eller lera, eller nanofibrer såsom kolnanorör eller elektrospunna fibrer används ofta för förstärkning.
Exempelvis tillsätts kolnanorör för att förbättra den elektriska och termiska ledningsförmågan, medan nanokiseldioxid används för att förbättra mekaniska och termiska egenskaper samt vattenbeständighet. Andra typer av nanopartiklar ger förbättrade optiska egenskaper, dielektriska egenskaper, värmebeständighet eller mekaniska egenskaper såsom styvhet, hållfasthet och motståndskraft mot korrosion och skador.

Exempel på nanokompositer formulerade med ultraljud:

• kolnanorör (CNT) i en vinylestermatris
• CNT / kolnanolökar / nanodiamanter i en metallmatris av nickel
• CNT i en matris av magnesiumlegering
• CNT i en matris av polyvinylalkohol (PVA)
• flerväggigt kolnanorör (MWCNT) i en epoxihartsmatris (med metyltetrahydroftalsyraanhydrid (MTHPA) som härdare)
• grafenoxid i en matris av poly(vinylalkohol) (PVA)
• SiC-nanopartiklar i en magnesiummatris
• nanokiseldioxid (Aerosil) i en polystyrenmatris
• magnetisk järnoxid i en flexibel matris av polyuretan (PU)
• nickeloxid i grafit/poly(vinylklorid)
• titandioxidnanopartiklar i en matris av poly(mjölksyra-co-glykolsyra) (PLGA)
• nanohydroxiapatit i en matris av poly(mjölksyra-co-glykolsyra) (PLGA)

Dispergering med ultraljud

Processparametrarna för ultraljud kan styras exakt och anpassas optimalt till materialsammansättningen och den önskade kvaliteten på slutprodukten. Dispergering med ultraljud är den rekommenderade tekniken för att införliva nanopartiklar såsom CNT eller grafen i nanokompositer. Dispergering och formulering av nanokompositer med ultraljud är en väletablerad metod som har prövats vetenskapligt under lång tid och införts i många industriella produktionsanläggningar. Hielschers långa erfarenhet av ultraljudsbehandling av nanomaterial säkerställer kvalificerad rådgivning, rekommendation av en lämplig ultraljudskonfiguration och stöd under processutveckling och optimering.
De förstärkande nanopartiklarna dispergeras oftast i matrisen under bearbetningen. Viktprocenten (massfraktionen) av det tillsatta nanomaterialet ligger i det lägre intervallet, t.ex. 0,5% till 5%, eftersom den jämna dispergering som uppnås genom ultraljudsbehandling gör det möjligt att minska mängden förstärkande fyllmedel och uppnå bättre förstärkningseffekt.
En typisk tillämpning av ultraljud inom tillverkning är formulering av kompositer av nanopartiklar och harts. För att framställa CNT-förstärkt vinylester används ultraljudsbehandling för att dispergera och funktionalisera CNT. Dessa CNT-vinylestrar kännetecknas av förbättrade elektriska och mekaniska egenskaper.
Klicka här för att läsa mer om dispergering av CNT!

Grafen

Grafen har exceptionella fysikaliska egenskaper, ett högt aspektförhållande och låg densitet. Grafen och grafenoxid integreras i en kompositmatris för att erhålla lätta polymerer med hög hållfasthet. För att uppnå den mekaniska förstärkningen måste grafenskikten / grafenplättarna vara mycket finfördelade, eftersom agglomererade grafenskikt drastiskt begränsar den förstärkande effekten.
Vetenskaplig forskning har visat att förbättringens storlek till största delen beror på grafenskiktens dispersionsgrad i matrisen. Endast homogent dispergerat grafen ger de önskade effekterna. På grund av sin starka hydrofobicitet och van der Waals-attraktion tenderar grafen att aggregera och agglomerera till flingor av svagt växelverkande enskikt.
Medan vanliga dispergeringstekniker ofta inte kan framställa homogena grafendispersioner utan skador på grafenet, producerar högeffektiva ultraljudsapparater grafendispersioner av hög kvalitet. Hielschers ultraljudsapparater hanterar utan problem rent grafen, grafenoxid och reducerad grafenoxid från låg till hög koncentration och från små till stora volymer. Ett vanligt lösningsmedel är N-metyl-2-pyrrolidon (NMP), men med högeffektultraljud kan grafen till och med dispergeras i dåliga lösningsmedel med låg kokpunkt, såsom aceton, kloroform, IPA och cyklohexanon.
Klicka här för att läsa mer om exfoliering av grafen i bulk!

Kolnanorör och andra nanomaterial

Högeffektultraljud har visat sig ge finfördelade dispersioner av olika nanomaterial, däribland kolnanorör (CNTs), SWNTs, MWNTs, fullerener, kiseldioxid (SiO₂), titandioxid (TiO₂), silver (Ag), zinkoxid (ZnO), nanofibrillerad cellulosa och många andra. I allmänhet överträffar ultraljudsbehandling konventionella dispergeringsapparater och kan uppnå unika resultat.
Förutom vid malning och dispergering av nanopartiklar uppnås utmärkta resultat vid syntes av nanopartiklar genom ultraljudsutfällning (bottom-up-syntes). Det har observerats att partikelstorleken, exempelvis hos ultraljudssyntetiserad magnetit, natriumzinkmolybdat och andra material, är mindre än den som erhålls med den konventionella metoden. Den mindre storleken tillskrivs den ökade kärnbildningshastigheten och de bättre blandningsmönstren till följd av skjuvningen och turbulensen som genereras av ultraljudskavitation.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudsutfällning med bottom-up-metoden!

Partikelfunktionalisering med ultraljud

En partikels specifika ytarea ökar när storleken minskar. Särskilt inom nanoteknik blir materialegenskaperna betydligt mer framträdande när partikelns ytarea ökar. Ytarean kan ökas och modifieras med ultraljud genom att lämpliga funktionella molekyler fästs på partikelytan. När det gäller tillämpning och användning av nanomaterial är ytegenskaperna lika viktiga som partikelkärnans egenskaper.
Ultraljudsfunktionaliserade partiklar används i stor utsträckning i polymerer, kompositer & biokompositer, nanofluider, sammansatta enheter, nanoläkemedel osv. Genom partikelfunktionalisering förbättras egenskaper som stabilitet, hållfasthet & styvhet, löslighet, polydispersitet, fluorescens, magnetism, superparamagnetism, optisk absorption, hög elektrontäthet, fotoluminiscens osv. drastiskt.
Vanliga partiklar som funktionaliseras kommersiellt med Hielschers ultraljudssystem omfattar CNTs, SWNTs, MWNTs, grafen, grafit, kiseldioxid (SiO₂), nanodiamanter, magnetit (järnoxid, Fe₃O₄), silvernanopartiklar, guldnanopartiklar, porösa & mesoporösa nanopartiklar osv.
Klicka här för att se utvalda tillämpningsbeskrivningar för partikelbehandling med ultraljud!

Ultraljudsdispergerare

Hielschers utrustning för ultraljudsdispergering finns för laboratoriebruk, bänkbruk och industriell produktion. Hielschers ultraljudsapparater är tillförlitliga, robusta och lätta att använda och rengöra. Utrustningen är konstruerad för drift dygnet runt, alla dagar i veckan, under krävande förhållanden. Ultraljudssystemen kan användas för satsvis bearbetning och inlinebearbetning – flexibla och lätta att anpassa till din process och dina krav.

Kapacitet för satsvis ultraljudsbehandling och inlinebehandling