การเตรียมสูตรวัสดุคอมโพสิตเสริมแรงด้วยอัลตราโซนิก
- วัสดุคอมโพสิตมีสมบัติเฉพาะตัว เช่น เสถียรภาพทางความร้อน มอดูลัสยืดหยุ่น ความต้านทานแรงดึง และความต้านทานการแตกหักที่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ จึงใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตผลิตภัณฑ์หลากหลายชนิด
- การใช้อัลตราโซนิกได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถผลิตนาโนคอมโพสิตคุณภาพสูงที่มี CNTs กราฟีน และวัสดุอื่น ๆ กระจายตัวได้ดีมาก
- อุปกรณ์อัลตราโซนิกสำหรับการเตรียมสูตรวัสดุคอมโพสิตเสริมแรงมีให้ใช้ในระดับอุตสาหกรรม
นาโนคอมโพสิต
นาโนคอมโพสิตโดดเด่นด้วยสมบัติทางกล ทางไฟฟ้า ทางความร้อน ทางแสง ทางเคมีไฟฟ้า และ/หรือสมบัติในการเร่งปฏิกิริยา
เนื่องจากเฟสเสริมแรงมีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูงเป็นพิเศษ และ/หรือมีอัตราส่วนความยาวต่อความกว้างสูงเป็นพิเศษ นาโนคอมโพสิตจึงมีสมรรถนะสูงกว่าคอมโพสิตทั่วไปอย่างมีนัยสำคัญ อนุภาคนาโน เช่น ซิลิกาทรงกลม แผ่นแร่ เช่น กราฟีนที่แยกชั้นแล้วหรือดินเหนียว หรือเส้นใยนาโน เช่น ท่อนาโนคาร์บอนหรือเส้นใยที่ผลิตด้วยการปั่นเส้นใยด้วยไฟฟ้า มักใช้เป็นวัสดุเสริมแรง
ตัวอย่างเช่น มีการเติมท่อนาโนคาร์บอนเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าและการนำความร้อน ส่วนซิลิกานาโนใช้เพื่อปรับปรุงสมบัติทางกล ทางความร้อน และความทนทานต่อน้ำ อนุภาคนาโนชนิดอื่นช่วยเพิ่มสมบัติทางแสง สมบัติไดอิเล็กทริก ความทนทานต่อความร้อน หรือสมบัติทางกล เช่น ความแข็งตึง ความแข็งแรง และความทนทานต่อการกัดกร่อนและความเสียหาย
ตัวอย่างนาโนคอมโพสิตที่เตรียมสูตรด้วยอัลตราโซนิก:
- ท่อนาโนคาร์บอน (CNT) ในเมทริกซ์ไวนิลเอสเทอร์
- CNTs / คาร์บอนโครงสร้างหัวหอม / เพชรนาโน ในเมทริกซ์โลหะนิกเกิล
- CNTs ในเมทริกซ์โลหะผสมแมกนีเซียม
- CNTs ในเมทริกซ์พอลิไวนิลแอลกอฮอล์ (PVA)
- ท่อนาโนคาร์บอนหลายผนัง (MWCNT) ในเมทริกซ์อีพอกซีเรซิน (ใช้ methyl tetrahydrophthalic anhydride (MTHPA) เป็นสารทำให้แข็งตัว)
- กราฟีนออกไซด์ในเมทริกซ์พอลิ(ไวนิลแอลกอฮอล์) (PVA)
- อนุภาคนาโน SiC ในเมทริกซ์แมกนีเซียม
- ซิลิกานาโน (Aerosil) ในเมทริกซ์พอลิสไตรีน
- เหล็กออกไซด์ที่มีสมบัติแม่เหล็กในเมทริกซ์พอลิยูรีเทน (PU) แบบยืดหยุ่น
- นิกเกิลออกไซด์ในกราไฟต์/พอลิ(ไวนิลคลอไรด์)
- อนุภาคนาโนไทเทเนียในเมทริกซ์พอลิแลกติกโคไกลโคลิกแอซิด (PLGA)
- ไฮดรอกซีอะพาไทต์นาโนในเมทริกซ์พอลิแลกติกโคไกลโคลิกแอซิด (PLGA)
การกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิก
พารามิเตอร์ของกระบวนการอัลตราโซนิกสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำและปรับให้เหมาะสมที่สุดกับองค์ประกอบของวัสดุและคุณภาพผลผลิตที่ต้องการ การกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่แนะนำสำหรับการผสมอนุภาคนาโน เช่น CNTs หรือกราฟีน เข้าไปในนาโนคอมโพสิต การกระจายตัวและการเตรียมสูตรนาโนคอมโพสิตด้วยอัลตราโซนิกเป็นวิธีที่ได้รับการยอมรับอย่างมั่นคง ผ่านการทดสอบทางวิทยาศาสตร์มาเป็นเวลานานและนำไปใช้ในโรงงานผลิตระดับอุตสาหกรรมหลายแห่ง ประสบการณ์อันยาวนานของ Hielscher ในการแปรรูปวัสดุนาโนด้วยอัลตราโซนิกช่วยให้สามารถให้คำปรึกษาอย่างละเอียด แนะนำชุดอุปกรณ์อัลตราโซนิกที่เหมาะสม และให้ความช่วยเหลือระหว่างการพัฒนาและการปรับกระบวนการให้เหมาะสม
โดยส่วนใหญ่ อนุภาคนาโนเสริมแรงจะถูกกระจายเข้าไปในเมทริกซ์ระหว่างการแปรรูป ร้อยละโดยน้ำหนัก (สัดส่วนมวล) ของวัสดุนาโนที่เติมอยู่ในช่วงต่ำ เช่น 0.5% ถึง 5% เนื่องจากการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอที่ได้จากการใช้อัลตราโซนิกช่วยลดการใช้สารเติมแต่งเสริมแรงและให้สมรรถนะการเสริมแรงสูงขึ้น
การใช้อัลตราโซนิกในการผลิตที่พบโดยทั่วไปคือการเตรียมสูตรคอมโพสิตอนุภาคนาโนกับเรซิน ในการผลิตไวนิลเอสเทอร์เสริมแรงด้วย CNT มีการใช้อัลตราโซนิกเพื่อกระจายตัวและปรับหมู่ฟังก์ชันของ CNTs วัสดุ CNT–ไวนิลเอสเทอร์เหล่านี้มีสมบัติทางไฟฟ้าและทางกลที่ดีขึ้น
คลิกที่นี่เพื่ออ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการกระจายตัวของ CNTs!
อนุภาคนาโนที่ปรับหมู่ฟังก์ชันด้วยอัลตราโซนิก
อุปกรณ์อัลตราโซนิก UIP1500hd พร้อมเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่าน
กราฟีน
กราฟีนมีสมบัติทางกายภาพที่โดดเด่น อัตราส่วนความยาวต่อความกว้างสูง และความหนาแน่นต่ำ กราฟีนและกราฟีนออกไซด์ถูกผสมเข้าไปในเมทริกซ์คอมโพสิตเพื่อให้ได้พอลิเมอร์ที่มีน้ำหนักเบาและความแข็งแรงสูง เพื่อให้เกิดการเสริมแรงทางกล แผ่นกราฟีน / เกล็ดกราฟีนต้องกระจายตัวอย่างละเอียดมาก เนื่องจากแผ่นกราฟีนที่จับตัวเป็นก้อนจะจำกัดผลการเสริมแรงอย่างมาก
งานวิจัยทางวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นว่าระดับการปรับปรุงสมบัติส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับระดับการกระจายตัวของแผ่นกราฟีนในเมทริกซ์ มีเพียงกราฟีนที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอเท่านั้นที่ให้ผลตามต้องการ เนื่องจากมีสมบัติไม่ชอบน้ำสูงและมีแรงดึงดูดแวนเดอร์วาลส์ กราฟีนจึงมีแนวโน้มที่จะรวมตัวและจับตัวเป็นก้อนในรูปเกล็ดที่ประกอบด้วยแผ่นชั้นเดียวซึ่งมีอันตรกิริยาต่อกันอย่างอ่อน
แม้เทคนิคการกระจายตัวทั่วไปมักไม่สามารถผลิตกราฟีนที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอและไม่เสียหายได้ แต่เครื่องอัลตราโซนิกกำลังสูงสามารถผลิตกราฟีนที่กระจายตัวได้อย่างมีคุณภาพสูง เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher สามารถแปรรูปกราฟีนดั้งเดิม กราฟีนออกไซด์ และกราฟีนออกไซด์ที่ผ่านการรีดิวซ์ได้อย่างสะดวก ตั้งแต่ความเข้มข้นต่ำถึงสูงและตั้งแต่ปริมาตรน้อยถึงมาก ตัวทำละลายที่ใช้กันทั่วไปคือ N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) แต่ด้วยอัลตราโซนิกกำลังสูง กราฟีนยังสามารถกระจายตัวได้แม้ในตัวทำละลายที่มีความสามารถในการละลายต่ำและจุดเดือดต่ำ เช่น อะซีโตน คลอโรฟอร์ม IPA และไซโคลเฮกซาโนน
คลิกที่นี่เพื่ออ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการแยกชั้นกราฟีนในปริมาณมาก!
ท่อนาโนคาร์บอนและวัสดุนาโนอื่น ๆ
อัลตราโซนิกกำลังสูงได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถทำให้วัสดุนาโนหลากหลายชนิดกระจายตัวเป็นอนุภาคขนาดละเอียดได้ รวมถึงท่อนาโนคาร์บอน (CNTs), SWNTs, MWNTs, ฟูลเลอรีน, ซิลิกา (SiO2), ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2), เงิน (Ag), สังกะสีออกไซด์ (ZnO), เซลลูโลสที่แยกเป็นเส้นใยระดับนาโน และวัสดุอื่น ๆ อีกมากมาย โดยทั่วไป การใช้อัลตราโซนิกให้สมรรถนะเหนือกว่าเครื่องกระจายตัวแบบดั้งเดิมและสามารถให้ผลลัพธ์ที่มีลักษณะเฉพาะได้
นอกจากการบดและการกระจายตัวของอนุภาคนาโนแล้ว การสังเคราะห์อนุภาคนาโนด้วยการตกตะกอนด้วยอัลตราโซนิก (การสังเคราะห์แบบล่างขึ้นบน) ยังให้ผลลัพธ์ที่ดีเยี่ยม มีการสังเกตพบว่าขนาดอนุภาค เช่น แมกนีไทต์ โซเดียมซิงก์โมลิบเดต และสารอื่น ๆ ที่สังเคราะห์ด้วยอัลตราโซนิก มีขนาดเล็กกว่าที่ได้จากวิธีดั้งเดิม ขนาดที่เล็กลงนี้เป็นผลจากอัตราการเกิดนิวเคลียสที่เพิ่มขึ้นและรูปแบบการผสมที่ดีขึ้น เนื่องจากแรงเฉือนและการไหลปั่นป่วนที่เกิดจากคาวิเทชันอัลตราโซนิก
คลิกที่นี่เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการตกตะกอนแบบล่างขึ้นบนด้วยอัลตราโซนิก!
การปรับหมู่ฟังก์ชันของอนุภาคด้วยอัลตราโซนิก
พื้นที่ผิวจำเพาะของอนุภาคเพิ่มขึ้นเมื่อขนาดลดลง โดยเฉพาะในนาโนเทคโนโลยี การแสดงลักษณะเฉพาะของวัสดุเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อพื้นที่ผิวของอนุภาคเพิ่มขึ้น พื้นที่ผิวสามารถเพิ่มขึ้นและดัดแปรได้ด้วยอัลตราโซนิก โดยยึดโมเลกุลที่มีหมู่ฟังก์ชันเหมาะสมเข้ากับพื้นผิวอนุภาค ในการประยุกต์และการใช้งานวัสดุนาโน สมบัติของพื้นผิวมีความสำคัญเทียบเท่ากับสมบัติของแกนอนุภาค
อนุภาคที่ปรับหมู่ฟังก์ชันด้วยอัลตราโซนิกใช้กันอย่างแพร่หลายในพอลิเมอร์ คอมโพสิตและไบโอคอมโพสิต ของไหลนาโน อุปกรณ์ที่ประกอบขึ้น ยานาโน ฯลฯ การปรับหมู่ฟังก์ชันของอนุภาคช่วยปรับปรุงลักษณะเฉพาะ เช่น เสถียรภาพ ความแข็งแรงและความแข็งตึง ความสามารถในการละลาย การกระจายตัวของขนาดอนุภาค การเรืองแสงฟลูออเรสเซนซ์ สมบัติแม่เหล็ก สมบัติซูเปอร์พาราแมกเนติก การดูดกลืนแสง ความหนาแน่นอิเล็กตรอนสูง การเรืองแสงจากการกระตุ้นด้วยแสง ฯลฯ ได้อย่างมาก
อนุภาคที่มักปรับหมู่ฟังก์ชันในเชิงพาณิชย์ด้วยระบบอัลตราโซนิกของ Hielscher ได้แก่ CNTs, SWNTs, MWNTs, กราฟีน, กราไฟต์, ซิลิกา (SiO2), เพชรนาโน, แมกนีไทต์ (เหล็กออกไซด์, Fe3O4), อนุภาคนาโนเงิน, อนุภาคนาโนทอง, อนุภาคนาโนที่มีรูพรุนและรูพรุนขนาดเมโซ ฯลฯ
คลิกที่นี่เพื่อดูเอกสารการประยุกต์ใช้งานที่คัดสรรเกี่ยวกับการปรับสภาพอนุภาคด้วยอัลตราโซนิก!
เครื่องกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิก
อุปกรณ์กระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกของ Hielscher มีให้ใช้สำหรับห้องปฏิบัติการ งานบนโต๊ะปฏิบัติการ และการผลิตระดับอุตสาหกรรม เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher เชื่อถือได้ แข็งแกร่ง ใช้งานและทำความสะอาดง่าย อุปกรณ์ได้รับการออกแบบให้ทำงาน 24/7 ภายใต้สภาวะงานหนัก ระบบอัลตราโซนิกสามารถใช้สำหรับการแปรรูปแบบแบตช์และแบบอินไลน์ – มีความยืดหยุ่นและปรับให้เข้ากับกระบวนการและข้อกำหนดของคุณได้ง่าย
ความสามารถในการแปรรูปด้วยอัลตราโซนิกแบบแบตช์และแบบอินไลน์
| ปริมาตรแบตช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนำ |
|---|---|---|
| 5 ถึง 200mL | 50 ถึง 500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0.1 ถึง 2L | 0.25 ถึง 2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0.4 ถึง 10L | 1 ถึง 8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4 ถึง 30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | มากกว่า 30m3/hr | ชุดอุปกรณ์ UIP10000 หรือ UIP16000 |
อุปกรณ์อัลตราโซนิกสำหรับห้องปฏิบัติการเพื่อปรับหมู่ฟังก์ชันของอนุภาค
วรรณกรรม/เอกสารอ้างอิง
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “การศึกษาสมรรถนะการยับยั้งการกัดกร่อนของเม็ดสีนาโนโซเดียมซิงก์โมลิบเดตที่เตรียมด้วยอัลตราโซนิกในสารเคลือบอีพอกซี–พอลิเอไมด์แบบสองส่วนประกอบ Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): การเตรียมนาโนคอมโพสิตโฟมพอลิยูรีเทนชนิดใหม่ที่มีสมบัติแม่เหล็กโดยใช้อนุภาคนาโนแบบแกน–เปลือก Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): การเตรียมวัสดุคอมโพสิตกราฟีนออกไซด์–พอลิสไตรีน การประชุมนานาชาติด้านสิ่งแวดล้อม เคมี และชีววิทยา ครั้งที่ 3 IPCBEE vol.78, 2014.
ข้อเท็จจริงที่ควรรู้
เกี่ยวกับวัสดุคอมโพสิต
วัสดุคอมโพสิต (หรือที่เรียกว่าวัสดุประกอบ) หมายถึงวัสดุที่ทำจากองค์ประกอบตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป ซึ่งมีสมบัติทางกายภาพหรือทางเคมีแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อนำวัสดุองค์ประกอบเหล่านั้นมารวมกัน จะเกิดวัสดุใหม่ – ที่เรียกว่าคอมโพสิต – ซึ่งมีลักษณะเฉพาะแตกต่างจากองค์ประกอบแต่ละชนิด องค์ประกอบแต่ละชนิดยังคงแยกจากกันและมีลักษณะเฉพาะของตนภายในโครงสร้างสำเร็จ
วัสดุใหม่นี้มีสมบัติที่ดีขึ้น เช่น แข็งแรงกว่า เบากว่า ทนทานกว่า หรือมีราคาถูกกว่าเมื่อเทียบกับวัสดุทั่วไป การปรับปรุงสมบัติของนาโนคอมโพสิตครอบคลุมตั้งแต่สมบัติทางกล ทางไฟฟ้า / การนำไฟฟ้า ทางความร้อน ทางแสง ทางเคมีไฟฟ้า ไปจนถึงสมบัติในการเร่งปฏิกิริยา
วัสดุคอมโพสิตทางวิศวกรรมที่พบโดยทั่วไป ได้แก่:
- ไบโอคอมโพสิต
- พลาสติกเสริมแรง เช่น พอลิเมอร์เสริมแรงด้วยเส้นใย
- คอมโพสิตโลหะ
- คอมโพสิตเซรามิก (คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกและเมทริกซ์โลหะ)
วัสดุคอมโพสิตโดยทั่วไปใช้เป็นวัสดุก่อสร้างและวัสดุโครงสร้าง เช่น ตัวเรือ พื้นผิวเคาน์เตอร์ ตัวถังรถยนต์ อ่างอาบน้ำ ถังเก็บ หินแกรนิตเทียม และอ่างล้างหน้าหินอ่อนสังเคราะห์ รวมถึงใช้ในยานอวกาศและอากาศยาน
คอมโพสิตยังสามารถใช้เส้นใยโลหะเสริมแรงโลหะชนิดอื่นได้ เช่น ในคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะ (MMC) หรือคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิก (CMC) ซึ่งรวมถึงกระดูก (ไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่เสริมแรงด้วยเส้นใยคอลลาเจน) เซอร์เมต (เซรามิกและโลหะ) และคอนกรีต
คอมโพสิตเมทริกซ์อินทรีย์/มวลรวมเซรามิก ได้แก่ แอสฟัลต์คอนกรีต พอลิเมอร์คอนกรีต มาสติกแอสฟัลต์ mastic roller hybrid คอมโพสิตทางทันตกรรม โฟมซินแทกติก และมุก
เกี่ยวกับผลของอัลตราโซนิกต่ออนุภาค
สามารถสังเกตสมบัติของอนุภาคได้เมื่อขนาดอนุภาคลดลงถึงระดับหนึ่ง (เรียกว่าขนาดวิกฤต) เมื่อมิติของอนุภาคถึงระดับนาโนเมตร อันตรกิริยาที่รอยต่อระหว่างเฟสจะดีขึ้นอย่างมาก ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการปรับปรุงลักษณะเฉพาะของวัสดุ ดังนั้น อัตราส่วนพื้นที่ผิว : ปริมาตรของวัสดุที่ใช้เสริมแรงในนาโนคอมโพสิตจึงมีความสำคัญที่สุด นาโนคอมโพสิตให้ข้อได้เปรียบทางเทคโนโลยีและเศรษฐกิจแก่ภาคอุตสาหกรรมแทบทุกภาค รวมถึงอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ยานยนต์ อิเล็กทรอนิกส์ เทคโนโลยีชีวภาพ เภสัชกรรม และการแพทย์ ข้อได้เปรียบสำคัญอีกประการหนึ่งคือความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
อัลตราซาวนด์กำลังสูงช่วยปรับปรุงความสามารถในการเปียกและการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันระหว่างเมทริกซ์กับอนุภาค ผ่านการผสมและการกระจายตัวอย่างเข้มข้น – ซึ่งเกิดจาก คาวิเทชันอัลตราโซนิก เนื่องจากการใช้อัลตราโซนิกเป็นวิธีการกระจายตัวที่ใช้แพร่หลายที่สุดและประสบความสำเร็จมากที่สุดสำหรับวัสดุนาโน ระบบอัลตราโซนิกของ Hielscher จึงได้รับการติดตั้งในห้องปฏิบัติการ โรงงานนำร่อง และสถานที่ผลิตทั่วโลก