Framställning av förstärkt gummi med ultraljud

• Förstärkta gummimaterial uppvisar högre draghållfasthet, större töjning, högre nötningsbeständighet och bättre åldringsstabilitet.
• Fyllmedel som kimrök (t.ex. CNT, MWNT), grafen eller kiseldioxid måste dispergeras homogent i matrisen för att ge de önskade materialegenskaperna.
• Effektultraljud ger överlägsen fördelningskvalitet för monodispersa nanopartiklar med starkt förstärkande egenskaper.

Ultraljudsdispergering

Ultraljudsbehandling används i stor utsträckning för att dispergera nanomaterial som monodispersa nanopartiklar och nanorör, eftersom ultraljud avsevärt förbättrar separationen och funktionaliseringen av partiklarna och rören.
Utrustning för ultraljudsdispergering skapar kavitation och höga skjuvkrafter för att bryta upp, deagglomerera, reda ut och dispergera nanopartiklar och nanorör. Ultraljudsbehandlingens intensitet kan justeras och styras exakt så att processparametrarna för ultraljudsbehandlingen anpassas perfekt med hänsyn till nanomaterialets koncentration, agglomerering och orientering/sammantrassling. Därigenom kan nanomaterial bearbetas optimalt utifrån sina specifika materialkrav. Optimala dispergeringsförhållanden genom individuellt anpassade ultraljudsprocessparametrar ger en högkvalitativ slutlig gumminanokomposit med överlägsna förstärkande egenskaper hos nanotillsatserna och nanofyllmedlen.
Tack vare ultraljudets överlägsna dispergeringskvalitet och den jämna dispersion som därigenom uppnås räcker en mycket låg fyllmedelshalt för att erhålla utmärkta materialegenskaper.

Gummi förstärkt med kimrök med hjälp av ultraljud

Kimrök är ett av de viktigaste fyllmedlen i gummi, särskilt för däck, för att ge gummimaterialet nötningsbeständighet och draghållfasthet. Kimrökspartiklar har en stark benägenhet att bilda aggregat som är svåra att dispergera homogent. Kimrök används ofta i färger, emaljer, tryckfärger, färgämnen för nylon och plast, latexblandningar, vaxblandningar, fotografiska beläggningar med mera.
Ultraljudsdispergering möjliggör deagglomerering och jämn inblandning med mycket hög monodispersitet hos partiklarna.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudsdispergering för förstärkta kompositer!

Gummi förstärkt med CNT / MWCNT med hjälp av ultraljud

Ultraljudshomogenisatorer är kraftfulla dispergeringssystem som kan styras exakt och anpassas till process- och materialkraven. Exakt styrning av ultraljudsprocessparametrarna är särskilt viktig vid dispergering av nanorör som MWNT eller SWNT, eftersom nanorören måste redas ut till enskilda rör utan att skadas (t.ex. genom klyvning). Oskadade nanorör har ett högt längd–diameterförhållande (upp till 132 000 000:1), vilket gör att de ger exceptionell hållfasthet och styvhet när de ingår i en komposit. Kraftfull, exakt anpassad ultraljudsbehandling övervinner van der Waals-krafterna och dispergerar och reder ut nanorören, vilket ger ett högpresterande gummimaterial med exceptionell draghållfasthet och elasticitetsmodul.
Dessutom används ultraljudsfunktionalisering för att modifiera kolnanorör så att önskade egenskaper uppnås som kan utnyttjas i många olika tillämpningar.

Gummi förstärkt med nanokiseldioxid med hjälp av ultraljud

Ultraljudsdispergerare ger en mycket jämn fördelning av nanopartiklar av kiseldioxid (SiO₂) i gummipolymerlösningar. Nanopartiklar av kiseldioxid (SiO₂) måste fördelas homogent som monodispersa partiklar i polymeriserad styren-butadien och andra gummimaterial. Monodispers nano-SiO₂ fungerar som förstärkningsmedel som avsevärt förbättrar seghet, hållfasthet, töjning, böjningsegenskaper och åldringsbeständighet. För nanopartiklar gäller följande: Ju mindre partikelstorleken är, desto större är partiklarnas specifika yta. Med ett högre förhållande mellan yta och volym (S/V) erhålls bättre strukturella och förstärkande effekter, vilket ökar gummiprodukternas draghållfasthet och hårdhet.
Ultraljudsdispergering av kiseldioxidnanopartiklar gör det möjligt att styra processparametrarna exakt så att en sfärisk morfologi, en exakt inställd partikelstorlek och en mycket snäv storleksfördelning erhålls.
Ultraljudsdispergerad kiseldioxid ger högsta materialprestanda hos det gummi som förstärks på detta sätt.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudsdispergering av SiO₂!

Ultraljudsdispergering av förstärkande tillsatser

Ultraljudsbehandling har visat sig kunna dispergera många andra nanopartikulära material för att förbättra elasticitetsmodulen, draghållfastheten och utmattningsegenskaperna hos gummikompositer. Eftersom fyllmedlens och de förstärkande tillsatsernas partikelstorlek, form, yta och ytaktivitet är avgörande för deras prestanda är kraftfulla och tillförlitliga ultraljudsdispergerare en av de mest använda metoderna för att införliva partiklar i mikro- och nanostorlek i gummiprodukter.
Typiska tillsatser och fyllmedel som införlivas i gummimatriser genom ultraljudsbehandling som jämnt fördelade eller monodispergerade partiklar är kalciumkarbonat, kaolinlera, pyrogen kiseldioxid, utfälld kiseldioxid, grafitoxid, grafen, glimmer, talk, baryt, wollastonit, utfällda silikater, pyrogen kiseldioxid och diatomit.
När oljesyrafunktionaliserade TiO₂ nanopartiklar dispergeras med ultraljud i styrenbutadiengummi ger även en mycket liten mängd av oljesyrafunktionaliserad SiO₂ avsevärt förbättrad elasticitetsmodul, draghållfasthet och utmattningsegenskaper och fungerar som skyddsmedel mot foto- och termisk nedbrytning.

• Aluminiumoxidtrihydrat (Al₂O₃) tillsätts som flamskyddsmedel, för att förbättra värmeledningsförmågan samt för att ge beständighet mot krypströmmar och erosion.
• Fyllmedel av zinkoxid (ZnO) ökar såväl den relativa permittiviteten som värmeledningsförmågan.
• Titandioxid (TiO₂) förbättrar värmeledningsförmågan och den elektriska ledningsförmågan.
• Kalciumkarbonat (CaCO₃) används som tillsats på grund av sina mekaniska, reologiska och flamhämmande egenskaper.
• Bariumtitanat (BaTiO₃) ökar den termiska stabiliteten.
• Grafen och grafenoxid (GO) ger överlägsna mekaniska, elektriska, termiska och optiska materialegenskaper.
• Kolnanorör (CNTs) förbättrar avsevärt mekaniska egenskaper såsom draghållfasthet samt elektrisk ledningsförmåga och värmeledningsförmåga.
• Flerväggiga kolnanorör (MWNTs) förbättrar Youngs modul och sträckgränsen. Exempelvis ger så lite som 1 wt.% MWNTs i en epoxi en ökning av Youngs modul och sträckgränsen med 100% respektive 200% jämfört med den rena matrisen.
• Enkelväggiga kolnanorör (SWNTs) förbättrar mekaniska egenskaper och värmeledningsförmåga.
• Kolnanofibrer (CNF) ger ökad hållfasthet, värmebeständighet och hållbarhet.
• Metalliska nanopartiklar såsom nickel, järn, koppar, zink, aluminium och silver tillsätts för att förbättra den elektriska ledningsförmågan och värmeledningsförmågan.
• Organiska nanomaterial såsom montmorillonit förbättrar de mekaniska och flamhämmande egenskaperna.

Ultraljudsdispergeringssystem

Hielscher Ultrasonics erbjuder ett brett produktsortiment av ultraljudsutrustning – från mindre bänksystem för genomförbarhetstester till industriella ultraljudsenheter för krävande drift med upp till 16kW per enhet. Effekt, tillförlitlighet, exakt styrbarhet och robusthet gör Hielschers ultraljudsdispergeringssystem till ”arbetshästen” i produktionslinjen för formuleringar med partiklar i mikro- och nanostorlek. Våra ultraljudsenheter kan bearbeta vattenbaserade och lösningsmedelsbaserade dispersioner ända upp till höga viskositeter (upp till 10 000cp) utan svårighet. Olika sonotroder (ultraljudshorn), boostrar (amplitudförstärkare/amplitudreducerare), flödescellgeometrier och andra tillbehör möjliggör optimal anpassning av ultraljudsdispergeraren till produkten och dess processkrav.
Industriprocessorerna för ultraljud från Hielscher Ultrasonics kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan direkt användas kontinuerligt i 24/7-drift. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid hög belastning och i krävande miljöer. Hielschers ultraljudsdispergerare är installerade över hela världen för storskalig kommersiell produktion.