การผลิตไฮโดรเจลด้วยอัลตราซาวนด์ที่ให้ข้อได้เปรียบ

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นเทคนิคที่มีประสิทธิผลสูง เชื่อถือได้ และเรียบง่ายสำหรับการเตรียมไฮโดรเจลสมรรถนะสูง ไฮโดรเจลเหล่านี้มีสมบัติของวัสดุที่ดีเยี่ยม เช่น ความสามารถในการดูดซับ สมบัติหนืดหยุ่น ความแข็งแรงเชิงกล มอดูลัสการอัด และความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง

การเกิดพอลิเมอร์และการกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์สำหรับการผลิตไฮโดรเจล

ไฮโดรเจลเป็นโครงข่ายพอลิเมอร์สามมิติที่ชอบน้ำ ซึ่งสามารถดูดซับน้ำหรือของเหลวได้ในปริมาณมาก ไฮโดรเจลมีความสามารถในการบวมตัวเป็นพิเศษ องค์ประกอบพื้นฐานที่ใช้กันทั่วไปในการสร้างไฮโดรเจล ได้แก่ พอลิไวนิลแอลกอฮอล์ พอลิเอทิลีนไกลคอล โซเดียมพอลิอะคริเลต พอลิเมอร์อะคริเลต คาร์โบเมอร์ พอลิแซ็กคาไรด์หรือพอลิเพปไทด์ที่มีหมู่ชอบน้ำจำนวนมาก และโปรตีนธรรมชาติ เช่น คอลลาเจน เจลาติน และไฟบริน
ไฮโดรเจลที่เรียกว่าไฮโดรเจลไฮบริดประกอบด้วยวัสดุหลากหลายชนิดที่มีลักษณะทางเคมี หน้าที่ และสัณฐานวิทยาแตกต่างกัน เช่น โปรตีน เพปไทด์ หรือโครงสร้างระดับนาโน / ไมโคร
การกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์ใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะเทคนิคที่มีประสิทธิภาพสูงและเชื่อถือได้ เพื่อกระจายวัสดุนาโน เช่น ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs, MWCNTs, SWCNTs) ผลึกนาโนเซลลูโลส เส้นใยนาโนไคติน ไทเทเนียมไดออกไซด์ อนุภาคนาโนเงิน โปรตีน และโครงสร้างระดับไมครอนหรือนาโนอื่น ๆ ให้เป็นเนื้อเดียวกันภายในเมทริกซ์พอลิเมอร์ของไฮโดรเจล ด้วยเหตุนี้ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์จึงเป็นเครื่องมือหลักในการผลิตไฮโดรเจลสมรรถนะสูงที่มีคุณสมบัติเป็นพิเศษ

สิ่งที่งานวิจัยแสดงให้เห็น – การเตรียมไฮโดรเจลด้วยอัลตราซาวนด์

ประการแรก การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ส่งเสริมปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์และการเชื่อมขวางระหว่างการก่อตัวของไฮโดรเจล
ประการที่สอง การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นเทคนิคการกระจายตัวที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิผลสำหรับการผลิตไฮโดรเจลและไฮโดรเจลนาโนคอมโพสิต

การเชื่อมขวางและการเกิดพอลิเมอร์ของไฮโดรเจลด้วยอัลตราซาวนด์

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยให้เกิดโครงข่ายพอลิเมอร์ระหว่างการสังเคราะห์ไฮโดรเจลผ่านการสร้างอนุมูลอิสระ คลื่นอัลตราซาวนด์ที่มีความเข้มสูงทำให้เกิดคาวิเทชันทางเสียง ซึ่งก่อให้เกิดแรงเฉือนสูง การเฉือนระดับโมเลกุล และการเกิดอนุมูลอิสระ

Cass et al. (2010) ได้เตรียมไฮโดรเจลอะคริลิกหลายชนิด โดยระบุว่า “ไฮโดรเจลอะคริลิกถูกเตรียมด้วยการเกิดพอลิเมอร์โดยใช้อัลตราซาวนด์จากมอนอเมอร์และแมโครมอนอเมอร์ที่ละลายน้ำได้ มีการใช้อัลตราซาวนด์เพื่อสร้างอนุมูลที่เริ่มปฏิกิริยาในสารละลายมอนอเมอร์ในน้ำที่มีความหนืด โดยใช้สารเติมแต่ง glycerol, sorbitol หรือ glucose ในระบบเปิดที่ 37°C สารเติมแต่งที่ละลายน้ำได้มีความจำเป็นต่อการผลิตไฮโดรเจล โดย glycerol มีประสิทธิผลสูงที่สุด ไฮโดรเจลถูกเตรียมจากมอนอเมอร์ 2-hydroxyethyl methacrylate, poly(ethylene glycol) dimethacrylate, dextran methacrylate, acrylic acid/ethylene glycol dimethacrylate และ acrylamide/bis-acrylamide” [Cass et al. 2010] พบว่าการใช้อัลตราซาวนด์ด้วยเครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบเป็นวิธีที่มีประสิทธิผลสำหรับการเกิดพอลิเมอร์ของไวนิลมอนอเมอร์ที่ละลายน้ำได้และการเตรียมไฮโดรเจลในขั้นต่อมา การเกิดพอลิเมอร์ที่เริ่มด้วยอัลตราซาวนด์เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วโดยไม่มีสารริเริ่มปฏิกิริยาทางเคมี
ดูขั้นตอนการทดลองฉบับเต็มของการศึกษานี้ได้ที่นี่!
 

การกระจายฟูมซิลิกาด้วยอัลตราโซนิก: เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิก Hielscher UP400S กระจายผงซิลิกาให้เป็นอนุภาคนาโนเดี่ยวได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์ไฮโดรเจลนาโนคอมโพสิตและนาโนเจลด้วยอัลตราซาวนด์!

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เข้ากันได้กับพอลิเมอร์และพอลิเมอร์ชีวภาพทุกชนิด และช่วยให้สามารถเสริมความแข็งแรงของไฮโดรเจลไฮบริดด้วยวัสดุที่มีโครงสร้างระดับนาโน เช่น อนุภาคนาโน ผลึกนาโน หรือเส้นใยนาโน การเสริมความแข็งแรงของไฮโดรเจลด้วยวัสดุนาโนชนิดต่าง ๆ ช่วยให้สามารถปรับเปลี่ยนและควบคุมสมบัติทางเคมีกายภาพและสมบัติทางรีโอโลยีและเชิงกลของไฮโดรเจลนาโนคอมโพสิตได้ เนื่องจากโครงสร้างจุลภาคเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดสมบัติของวัสดุที่ได้

การผลิตไฮโดรเจล Poly(acrylamide-co-itaconic acid) – MWCNT ด้วยการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์

Mohammadinezhada et al. (2018) ประสบความสำเร็จในการผลิตไฮโดรเจลคอมโพสิตที่ดูดซับได้สูงเป็นพิเศษ ซึ่งประกอบด้วย poly(acrylamide-co-itaconic acid) และท่อนาโนคาร์บอนผนังหลายชั้น (MWCNTs) โดยใช้คลื่นอัลตราซาวนด์จากเครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher รุ่น UP200S. ความเสถียรของไฮโดรเจลเพิ่มขึ้นเมื่อสัดส่วน MWCNTs เพิ่มขึ้น ซึ่งอาจเป็นผลจากลักษณะไม่ชอบน้ำของ MWCNTs รวมทั้งความหนาแน่นของสารเชื่อมขวางที่เพิ่มขึ้น ความสามารถในการกักเก็บน้ำ (WRC) ของไฮโดรเจล P(AAm-co-IA) ก็เพิ่มขึ้นเช่นกันเมื่อมี MWCNT (10 wt%) ในการศึกษานี้ ผลของการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ได้รับการประเมินว่าเหนือกว่าในด้านการกระจายท่อนาโนคาร์บอนอย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวพอลิเมอร์ MWCNTs ยังคงสมบูรณ์โดยไม่มีการเสียสภาพของโครงสร้างพอลิเมอร์ นอกจากนี้ ความแข็งแรงของนาโนคอมโพสิตที่ได้ ความสามารถในการกักเก็บน้ำ และการดูดซึมสารที่ละลายได้ชนิดอื่น ๆ เช่น Pb (II) ก็เพิ่มขึ้นด้วย การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ทำให้สารริเริ่มปฏิกิริยาแตกตัว และกระจาย MWCNTs ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารเติมเต็มที่ดีเยี่ยมในสายโซ่พอลิเมอร์ภายใต้อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น
นักวิจัยสรุปว่า “ไม่สามารถทำให้เกิดสภาวะปฏิกิริยาเหล่านี้ด้วยวิธีทั่วไป และไม่สามารถทำให้อนุภาคมีความเป็นเนื้อเดียวกันและกระจายตัวได้ดีภายในวัสดุเจ้าบ้าน นอกจากนี้ กระบวนการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แยกอนุภาคนาโนให้เป็นอนุภาคเดี่ยวได้ ในขณะที่การกวนไม่สามารถทำเช่นนี้ได้ อีกกลไกหนึ่งของการลดขนาดคือผลของคลื่นเสียงกำลังสูงต่อพันธะทุติยภูมิ เช่น พันธะไฮโดรเจน โดยการฉายคลื่นนี้ทำลายพันธะไฮโดรเจนของอนุภาค แล้วจึงแยกอนุภาคที่เกาะกลุ่มกันออก พร้อมเพิ่มจำนวนหมู่ดูดซับอิสระ เช่น -OH และเพิ่มความสามารถในการเข้าถึงหมู่เหล่านี้ ดังนั้น ปรากฏการณ์สำคัญนี้จึงทำให้กระบวนการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่เหนือกว่าวิธีอื่น ๆ เช่น การกวนด้วยแม่เหล็กที่ใช้ในเอกสารวิชาการ” [Mohammadinezhada et al., 2018]

เครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงสำหรับการสังเคราะห์ไฮโดรเจล

Hielscher Ultrasonics ผลิตอุปกรณ์อัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงสำหรับการสังเคราะห์ไฮโดรเจล ตั้งแต่เครื่องอัลตราซาวนด์ขนาดเล็กและขนาดกลางสำหรับการวิจัยและพัฒนาและระดับนำร่อง ไปจนถึงระบบอุตสาหกรรมสำหรับการผลิตไฮโดรเจลเชิงพาณิชย์แบบต่อเนื่อง Hielscher Ultrasonics มีอุปกรณ์ที่ครอบคลุมข้อกำหนดของกระบวนการของคุณ
เครื่องอัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรมสามารถให้แอมพลิจูดสูงมาก ซึ่งช่วยให้ปฏิกิริยาการเชื่อมขวางและการเกิดพอลิเมอร์ดำเนินไปได้อย่างเชื่อถือได้ และทำให้อนุภาคนาโนกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ สามารถเดินเครื่องอย่างต่อเนื่องได้อย่างง่ายดายด้วยแอมพลิจูดสูงถึง 200µm ในการทำงานแบบ 24/7/365 สำหรับแอมพลิจูดที่สูงยิ่งกว่านี้ มีโซโนโทรดอัลตราซาวนด์ที่ออกแบบเฉพาะให้เลือกใช้

ติดต่อเราวันนี้เพื่อขอข้อมูลทางเทคนิคเพิ่มเติม ราคา และใบเสนอราคาโดยไม่มีข้อผูกมัด ทีมงานของเราที่มีประสบการณ์ยาวนานยินดีให้คำปรึกษาแก่คุณ!
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา:

Hielscher SonoStation ช่วยให้การใช้เครื่องปฏิกรณ์เซลล์ไหลเพื่อทำอัลตราซาวนด์กับวัสดุเป็นรุ่นขนาดกลางเป็นเรื่องง่าย SonoStation ขนาดกะทัดรัดผสานถังกวนขนาด 38 ลิตรเข้ากับปั๊มโพรงก้าวหน้าแบบปรับอัตราการไหลได้ ซึ่งสามารถป้อนได้สูงสุด 3 ลิตรต่อนาทีเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์เซลล์ไหลอัลตราซาวนด์หนึ่งหรือสองเครื่อง