Ultraljudsberedning av förstärkt gummi
- Förstärkta gummin visar högre draghållfasthet, töjning, nötningsbeständighet och bättre åldringsstabilitet.
- Fyllnadsmedel som kimrök (t.ex. CNT, MWNT), grafen eller kiseldioxid måste disperseras homogent i matrisen för att ge de önskade materialegenskaperna.
- Power ultrasonics ger överlägsen distributionskvalitet av monodispergerade nanopartiklar med mycket förstärkande egenskaper.
Ultraljud dispersion
Ultraljud används i stor utsträckning för att sprida nanomaterial såsom monodispergerade nanopartiklar och nanorör, eftersom ultraljud förbättrar separationen och funktionaliseringen av partiklarna och rören kraftigt.
Utrustning för ultraljudsdispergering skapar Kavitation and high shear forces to disrupt, deagglomerate, detangle and disperse nano particles and nanotubes. The intensity of sonication can be precisely adjusted and controlled so that the ultrasonic processing parameters are adapted perfectly, taking concentration, agglomeration, and alignment/entanglement of the nano material into account. Thereby, nano materials can be optimally processed regarding their specific material’s requirements. Optimal dispersion conditions due to individually adjusted ultrasonic process parameters result in a high-quality final rubber nanocomposite with superior reinforcing characteristics of the nano-additives and -fillers.
På grund av den överlägsna dispersionskvaliteten hos ultraljud och den därmed uppnådda enhetliga dispersionen, är en mycket låg fyllnadsbelastning tillräcklig för att erhålla utmärkta materialegenskaper.
Ultraljuds-kolsvart-förstärkt gummi
Kimrök är ett av de viktigaste fyllmedlen i gummi, särskilt för däck, för att ge gummimaterialet nötningsbeständighet och draghållfasthet. Kimrökspartiklar är mycket benägna att bilda aggregat som är svåra att dispergera homogent. Kimrök används ofta i färger, emaljer, tryckfärger, nylon- och plastfärger, latexblandningar, vaxblandningar, fotobeläggningar och mer.
Ultraljudsdispersion gör det möjligt att deagglomerera och blanda enhetligt med en mycket hög monodispersitet hos partiklarna.
Klicka här för att lära dig mer om ultraljudsdispersion för förstärkta kompositer!
Ultraljuds-CNT-? MWCNT-förstärkt gummi
Ultraljudshomogenisatorer är kraftfulla dispergeringssystem som kan kontrolleras och justeras exakt efter process- och materialkraven. Den exakta kontrollen av ultraljudsprocessparametrarna är särskilt viktig för dispergering av nanorör som MWNT eller SWNT, eftersom nanorören måste redas ut till enskilda rör utan att skadas (t.ex. genom saxning). Oskadade nanorör erbjuder ett högt bildförhållande (upp till 132 000 000:1) så att de ger exceptionell styrka och styvhet när de formuleras till en komposit. Kraftfull, exakt justerad ultraljudsbehandling övervinner Van der Waals-krafterna och sprider och reder ut nanorören vilket resulterar i ett högpresterande gummimaterial med exceptionell draghållfasthet och elasticitetsmodul.
Dessutom Funktionalisering av ultraljud används för att modifiera kolnanorör för att uppnå önskade egenskaper som kan användas i många olika applikationer.
Ultraljuds-nano-kiseldioxid-förstärkt gummi
Ultraljudsdispergeringsmedel ger en mycket jämn partikelfördelning av kiseldioxid (SiO2) nanopartiklar i gummipolymerlösningar. Kiseldioxid (SiO2) Nanopartiklar måste vara homogent fördelade som monodispergerade partiklar i polymeriserad styren-butadien och andra gummin. Monodispergerad nano-SiO2 fungerar som förstärkande medel, som förbättrar seghet, styrka, töjning, böjning och anti-aging prestanda, avsevärt. För nanopartiklar gäller: Ju mindre partikelstorlek, desto större är partiklarnas specifika yta. Med ett högre förhållande mellan yta/volym (S/V) erhålls bättre strukturella och förstärkande effekter, vilket ökar draghållfastheten och hårdheten hos gummiprodukter.
Ultraljudsdispersion av kiseldioxidnanopartiklar gör det möjligt att styra processparametrarna exakt så att en sfärisk morfologi, exakt justerad partikelstorlek och mycket smal storleksfördelning erhålls.
Ultraljudsdispergerad kiseldioxid resulterar i högsta materialprestanda för därmed förstärkt gummi.
Klicka här för att lära dig mer om ultraljudsdispersion av SiO2!
Ultraljudsdispersion av förstärkande tillsatser
Ultraljudsbehandling har visat sig sprida många andra nanoparticulated material för att förbättra modulen, draghållfastheten, och utmattningsegenskaperna hos gummikompositer. Eftersom partikelstorlek, form, yta och ytaktivitet hos fyllmedel och förstärkande tillsatser är avgörande för deras prestanda, är kraftfulla och pålitliga ultraljudsdispergeringsmedel en av de mest använda metoderna för att formulera mikro- och nanopartiklar till gummiprodukter.
Typiska tillsatser och fyllmedel, som införlivas genom ultraljudsbehandling som likformigt fördelade eller monodispergerade partiklar i gummimatriser, är kalciumkarbonat, kaolinlera, rökt kiseldioxid, grafitoxid, grafen, glimmer, talk, baryt, wollastonit, utfällda silikater, rökt kiseldioxid och diatomit.
När oljesyrafunktionaliserad TiO2 nanopartiklar är ultraljudsdispergerade i styren-butadiengummi, även en mycket liten mängd oljesyra-SiO2 Resulterar i avsevärt förbättrade egenskaper för modul, draghållfasthet och utmattning och fungerar som skyddsmedel mot foto- och termonedbrytning.
- Trihydrat av aluminiumoxid (Al2O3) tillsätts som flamskyddsmedel för att förbättra värmeledningsförmågan och för spårnings- och erosionsbeständighet.
- Zinkoxid (ZnO) fyllmedel ökar den relativa permittiviteten såväl som värmeledningsförmågan.
- Titandioxid (TiO2) förbättrar den termiska och elektriska ledningsförmågan.
- Kalciumkarbonat (CaCO3) används som tillsats på grund av dess mekaniska, reologiska och flamhämmande egenskaper.
- Bariumtitanat (BaTiO3) ökar den termiska stabiliteten.
- grafen och grafenoxid (GO) ger överlägsna mekaniska, elektriska, termiska och optiska materialegenskaper.
- Kol nanorör (CNT) förbättrar mekaniska egenskaper såsom draghållfasthet, elektrisk och termisk ledningsförmåga avsevärt.
- Flerväggiga kolnanorör (MWNT) förbättrar Youngs modul och sträckgräns. Till exempel resulterar så lite som 1 viktprocent av MWNT i en epoxi i en ökad Youngs modul respektive sträckgräns, 100 % och 200 %, jämfört med den rena matrisen.
- Enkelväggiga kolnanorör (SWNTs) förbättrar mekaniska egenskaper och värmeledningsförmåga.
- Kolnanofibrer (CNF) ger styrka, värmebeständighet och hållbarhet.
- Metalliska nanopartiklar som nickel, järn, koppar, zink, aluminium och Silver tillsätts för att förbättra den elektriska och termiska ledningsförmågan.
- Organiska nanomaterial, t.ex. montmorillonit förbättra de mekaniska och flamskyddsmedlen.
System för ultraljudsdispersion
Hielscher Ultrasonics erbjuder ett brett produktsortiment av ultraljudsutrustning – Från mindre bänksystem för genomförbarhetstest upp till tunga Industriella ultraljudsapparater med upp till 16kW per enhet. Power, reliability, precise controllability as well as their robustness make Hielscher’s ultrasonic dispersing systems the “arbete häst” i produktionslinjen för mikron- och nanopartikulära formuleringar. Våra ultraljudsapparater är kapabla att bearbeta vattenhaltiga och lösningsmedelsbaserade dispersioner upp till Höga viskositeter (upp till 10 000 cp) lätt. Olika sonotroder (ultraljudshorn), boosters (förstärkare/reduktionsmedel), flödescellsgeometrier och andra tillbehör möjliggör optimal anpassning av ultraljudsdispergieraren till produkten och dess processkrav.
Hielscher Ultrasonics’ Industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplitudes of up to 200µm can be continuously run in 24/7 operation promptly. For even higher amplitudes, customized ultrasonic sonotrodes are available. The robustness of Hielscher’s ultrasonic equipment allows for 24/7 Drift vid Tung drift och i krävande miljöer. Hielschers ultraljudsdispergeringsmedel installeras över hela världen för storskalig kommersiell produktion.
Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
---|---|---|
10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000 |
N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Litteratur? Referenser
- 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.
Fakta som är värda att veta
syntetiskt gummi
Ett syntetiskt gummi är vilken konstgjord elastomer som helst. Syntetiskt gummi är huvudsakligen polymerer som syntetiseras från petroleumbiprodukter och tillverkas, liksom andra polymerer, av olika petroleumbaserade monomerer. Det vanligaste syntetiska gummit är styren-butadiengummi (SBR) som härrör från sampolymerisationen av styren och 1,3-butadien. Andra syntetiska gummin framställs av isopren (2-metyl-1,3-butadien), kloropren (2-klor-1,3-butadien) och isobutylen (metylpropen) med en liten andel isopren för tvärbindning. Dessa och andra monomerer kan blandas i olika proportioner för att sampolymeriseras för att producera produkter med en rad fysikaliska, mekaniska och kemiska egenskaper. Monomererna kan framställas rena och tillsatsen av föroreningar eller tillsatser kan styras genom design för att ge optimala egenskaper. Polymerisation av rena monomerer kan kontrolleras bättre för att ge en önskad andel cis- och transdubbelbindningar.
Syntetiskt gummi, liksom naturgummi, används i stor utsträckning inom bilindustrin för däck, dörr- och fönsterprofiler, slangar, bälten, mattor och golv.
naturgummi
Naturgummi är också känt som Indiengummi eller kautschuk. Naturgummi klassificeras som elastomer och består huvudsakligen av polymerer av den organiska föreningen poly-cis-isopren och vatten. Den innehåller spår av föroreningar som protein, smuts etc. Naturgummi, som kommer som latex från gummiträdet Hevea Brasiliensis, visar utmärkta mekaniska egenskaper. Men i jämförelse med syntetiskt gummi har naturgummi en lägre materialprestanda, särskilt när det gäller dess termiska stabilitet och dess kompatibilitet med petroleumprodukter. Naturgummi har ett brett användningsområde, antingen ensamt eller i kombination med andra material. För det mesta används den på grund av dess stora sträckförhållande, höga motståndskraft och dess extremt höga vattentäthet. Smältpunkten för gummi är vid cirka 180°C (356°F).
Tabellen nedan ger en översikt över de olika typerna av gummi:
ISO | Tekniskt namn | Trivialnamn |
---|---|---|
ACM | Polyakrylat gummi | |
AEM AEM | etylen-akrylatgummi | |
Au | Polyester uretan | |
BIIR | Bromo Isobutylen Isopren | Brombutyl |
BR | Polybutadien | Buna CB |
CIIR (på engelska) | Klorisobutylenisopren | Klorbutyl, Butyl |
HP | Polykloropren | Kloropren, neopren |
CSM | Klorsulfonerad polyeten | Hypalon Hypalon |
EKO | Epiklorhydrin | ECO, Epiklorhydrin, Epiklor, Epikloridrin, Herclor, Hydrin |
EP | Etylenpropylen | |
EPDM (EPDM) | Etylenpropylendienmonomer | EPDM, Nordel |
EU | Polyeter uretan | |
FFKM (FFKM) | Perfluorkarbongummi | Kalrez, Chemraz |
FKM (FKM) | Fluoronerat kolväte | Viton, Fluorel |
Vanliga frågor | Fluor silikon | FMQ, Silikongummi |
FPM | Fluorkarbongummi | |
HNBR | Hydrerad nitrilbutadien | HNBR |
IR | Polyisopren | (Syntetisk) Naturgummi |
IIR (IIR) | Isobutylen Isoprenbutyl | Butyl |
NBR (på engelska) | Akrylnitril Butadien | NBR, Nitril, Perbunan, Buna-N |
PU | polyuretan | PU, Polyuretan |
SBR (SBR) | Styrenbutadien | SBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE |
SEBS (SEBS) | Sampolymer av styrenetylenbutylenstyren | SEBS Gummi |
Si | Polysiloxan | silikongummi |
VMQ | Vinyl Metyl Silikon | silikongummi |
XNBR XNBR | Akrylnitrilbutadienkarboximer | XNBR, karboxylerad nitril |
XSBR (på engelska) | Styrenbutadienkarboximonomer | |
YBPO | Termoplastisk polyeterester | |
YSBR | Sampolymer av styrenbutadienblock | |
YXSBR | Sampolymer av styrenbutadienkarboxiblock |
SBR (SBR)
Styren-butadien eller styren-butadiengummi (SBR) beskriver syntetiska gummin, som härrör från styren och butadien. Förstärkt styren-butadien som kännetecknas av sin höga nötningsbeständighet och goda anti-aging-egenskaper. Förhållandet mellan styren och butadien bestämmer polymerens egenskaper: med en hög styrenhalt blir gummit hårdare och mindre gummiaktigt.
Begränsningarna med icke-förstärkt SBR orsakas av dess låga hållfasthet utan förstärkning, låga motståndskraft, låga rivhållfasthet (särskilt vid höga temperaturer) och dålig klibbighet. Därför krävs förstärkningsmedel och fyllmedel för att förbättra SBR-egenskaperna. Till exempel används kimröksfyllmedel för att styrka och nötningsbeständighet kraftigt.
styren
Styren (C8H8) är känd under olika termer såsom etenylbensen, vinylbensen, fenyleten, fenyletylen, kanel, styrol, diarex HF 77, frigolen och frigopol. Det är en organisk förening med den kemiska formeln C6H5CH=CH2. Styren är föregångaren till polystyren och flera sampolymerer.
Det är ett bensenderivat och uppträder som en färglös oljig vätska, som lätt avdunstar. Styren har en söt lukt, som vid höga koncentrationer förvandlas till en mindre behaglig lukt.
I närvaro av en vinylgrupp bildar styren en polymer. Styrenbaserade polymerer produceras kommersiellt för att erhålla produkter som polystyren, ABS, styren-butadien (SBR) gummi, styren-butadienlatex, SIS (styren-isopren-styren), S-EB-S (styren-eten/butylen-styren), styren-divinylbensen (S-DVB), styren-akrylnitrilharts (SAN) och omättade polyestrar som används i hartser och härdplaster. Dessa material är viktiga komponenter för produktion av gummi, plast, isolering, glasfiber, rör, bil- och båtdelar, matbehållare och mattstöd.
Applikationer av gummi
Gummi har många materialegenskaper som styrka, hållbarhet, vattenbeständighet och värmebeständighet. Dessa egenskaper gör gummi mycket mångsidigt så att det används i många industrier. Den huvudsakliga användningen av gummi är inom bilindustrin, främst för däckproduktion. Ytterligare egenskaper som dess halkskydd, mjukhet, hållbarhet och motståndskraft gör gummi till en mycket frekvent komposit som används för tillverkning av skor, golvbeläggningar, medicinska och hälsovårdsartiklar, hushållsprodukter, leksaker, sportartiklar och många andra gummiprodukter.
Nano-tillsatser och fyllmedel
Fyllnadsmedel och tillsatser i nanostorlek i gummi fungerar som förstärkande och skyddande medel för att förbättra draghållfastheten, nötningsbeständigheten, rivhållfastheten, hysteresen och för att bevara mot foto- och termisk nedbrytning av gummit.
Kiseldioxid
Kiseldioxid (SiO2, kiseldioxid) används i många former, t.ex. amorf kiseldioxid, t.ex. rökt kiseldioxid, kiseldioxid, utfälld kiseldioxid för att förbättra materialegenskaperna med avseende på dynamiska mekaniska egenskaper, värmeåldringsbeständighet och morfologi. Kiseldioxidfyllda föreningar visar en ökande viskositet respektive tvärbindningsdensitet till en ökande fyllnadshalt. Hårdhet, modul, draghållfasthet och slitegenskaper förbättrades progressivt genom att öka mängden kiseldioxidfyllmedel.
kimrök
Kimrök är en form av parakristallint kol med kemisorberade syrekomplex (såsom karboxyliska, kinoniska, laktoniska, fenoliska grupper och andra) fästa vid dess yta. Dessa ytsyregrupper grupperas vanligtvis under termen “flyktiga komplex”. På grund av detta flyktiga innehåll är kimrök ett icke-ledande material. Med kol-syrekomplex är funktionaliserade kimrökspartiklar lättare att dispergera.
Det höga förhållandet mellan yta och volym hos kimrök gör det till ett vanligt förstärkande fyllmedel. Nästan alla gummiprodukter, för vilka draghållfasthet och nötningsbeständighet är avgörande, använder kimrök. Utfälld eller rökt kiseldioxid används som ersättning för kimrök, när förstärkning av gummi krävs men den svarta färgen bör undvikas. Kiseldioxidbaserade fyllmedel vinner dock marknadsandelar även inom bildäck, eftersom användningen av kiseldioxidfyllmedel resulterar i en lägre rullförlust jämfört med kimröksfyllda däck.
Tabellen nedan ger en översikt över kimrökstyper som används i däck
Namn | Förkortning. | Astm | Partikelstorlek nm | Draghållfasthet MPa | Relativ laboratorienötning | Relativ nötning av vägslitage |
---|---|---|---|---|---|---|
Super nötningsugn | Hållbart flygbränsle | N110 | 20–25 | 25.2 | 1.35 | 1.25 |
Mellanliggande hållbart flygbränsle | ISAF (Inre Flyget | N220 | 24–33 | 23.1 | 1.25 | 1.15 |
Ugn med hög nötning | HAF | N330 | 28–36 | 22.4 | 1.00 | 1.00 |
Enkel bearbetningskanal | EPC (EPC) | N300 | 30–35 | 21.7 | 0.80 | 0.90 |
Snabb extruderingsugn | FEF (FEF) | N550 | 39–55 | 18.2 | 0.64 | 0.72 |
Ugn med hög modul | HMF (på engelska) | N660 | 49–73 | 16.1 | 0.56 | 0.66 |
Halvförstärkande ugn | Den gemensamma resolutionsfonden | N770 | 70–96 | 14.7 | 0.48 | 0.60 |
Fin termisk | FT | N880 | 180–200 | 12.6 | 0.22 | – |
Medium Termisk | MT | N990 | 250–350 | 9.8 | 0.18 | – |
grafenoxid
Grafenoxid dispergerad i SBR resulterar i hög draghållfasthet och rivhållfasthet samt enastående slitstyrka och lågt rullmotstånd, vilket är viktiga materialegenskaper för däcktillverkningen. Grafenoxid-kiseldioxidförstärkt SBR erbjuder ett konkurrenskraftigt alternativ för en miljövänlig däckproduktion samt för produktion av högpresterande gummikompositer. Grafen och grafenoxid kan framgångsrikt, tillförlitligt och enkelt exfolieras under ultraljudsbehandling. Klicka här för att lära dig mer om ultraljudstillverkning av grafen!