Takviyeli Kompozitlerin Ultrasonik Formülasyonu
- Kompozitler, önemli ölçüde artırılmış termal kararlılık, elastisite modülü, çekme dayanımı ve kırılma dayanımı gibi benzersiz malzeme özellikleri gösterir ve bu nedenle çok çeşitli ürünlerin imalatında yaygın olarak kullanılır.
- Sonikasyonun, yüksek derecede disperse edilmiş CNT’ler, grafen vb. içeren yüksek kaliteli nanokompozitler ürettiği kanıtlanmıştır.
- Takviyeli kompozitlerin formülasyonu için ultrasonik ekipman endüstriyel ölçekte mevcuttur.
Nanokompozitler
Nanokompozitler mekanik, elektriksel, termal, optik, elektrokimyasal ve/veya katalitik özellikleriyle öne çıkar.
Takviye fazının olağanüstü yüksek yüzey alanı/hacim oranı ve/veya olağanüstü yüksek en-boy oranı nedeniyle nanokompozitler, geleneksel kompozitlerden önemli ölçüde daha yüksek performans gösterir. Küresel silika gibi nanoparçacıklar, eksfoliye edilmiş grafen veya kil gibi mineral tabakalar ya da karbon nanotüpler veya elektro-eğrilmiş lifler gibi nanolifler takviye amacıyla sıklıkla kullanılır.
Örneğin, elektriksel ve termal iletkenliği iyileştirmek için karbon nanotüpler eklenirken mekanik, termal ve suya dayanıklılık özelliklerini iyileştirmek için nanosilika kullanılır. Diğer nanoparçacık türleri, optik özellikleri, dielektrik özellikleri, ısı direncini veya rijitlik, dayanım ve korozyona ve hasara karşı direnç gibi mekanik özellikleri artırır.
Ultrasonik olarak formüle edilmiş nanokompozit örnekleri:
- vinil ester matrisinde karbon nanotüpler (CNT)
- nikel metal matrisinde CNT’ler / karbon soğanları / nanoelmaslar
- magnezyum alaşımı matrisinde CNT’ler
- polivinil alkol (PVA) matrisinde CNT’ler
- epoksi reçine matrisinde çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT) (kürleme maddesi olarak metil tetrahidroftalik anhidrit (MTHPA) kullanılarak)
- poli(vinil alkol) (PVA) matrisinde grafen oksit
- magnezyum matrisinde SiC nanoparçacıkları
- polistiren matrisinde nanosilika (Aerosil)
- esnek poliüretan (PU) matrisinde manyetik demir oksit
- grafit/poli(vinil klorür) içinde nikel oksit
- poli(laktik-ko-glikolik asit) (PLGA) matrisinde titanya nanoparçacıkları
- poli(laktik-ko-glikolik asit) (PLGA) matrisinde nanohidroksiapatit
Ultrasonik Dispersiyon
Ultrasonik proses parametreleri hassas biçimde kontrol edilebilir ve malzeme bileşimine ve istenen çıktı kalitesine en uygun şekilde uyarlanabilir. Ultrasonik dispersiyon, CNT’ler veya grafen gibi nanoparçacıkları nanokompozitlere dahil etmek için önerilen tekniktir. Bilimsel düzeyde uzun süre test edilmiş ve birçok endüstriyel üretim tesisinde uygulanmış olan nanokompozitlerin ultrasonik dispersiyonu ve formülasyonu, yerleşik bir yöntemdir. Hielscher’in nanomalzemelerin ultrasonik işlenmesindeki uzun deneyimi, kapsamlı danışmanlık, uygun bir ultrasonik sistem önerisi ve proses geliştirme ve optimizasyonu sırasında destek sağlar.
Takviye edici nanoparçacıklar çoğunlukla işleme sırasında matris içinde disperse edilir. Sonikasyonla elde edilen homojen dispersiyon, takviye edici dolgu maddelerinden tasarruf edilmesine ve daha yüksek takviye performansına olanak tanıdığından, eklenen nanomalzemenin ağırlık yüzdesi (kütle fraksiyonu) düşük bir aralıktadır; örneğin %0,5 ile %5 arasında değişir.
İmalatta ultrasonik işlemenin tipik bir uygulaması, nanoparçacık-reçine kompozitinin formülasyonudur. CNT takviyeli vinil ester üretmek için CNT’lerin disperse edilmesinde ve işlevselleştirilmesinde sonikasyon kullanılır. Bu CNT-vinil esterler, artırılmış elektriksel ve mekanik özellikleriyle karakterize edilir.
CNT’lerin dispersiyonu hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!
Grafen
Grafen, olağanüstü fiziksel özellikler, yüksek bir en-boy oranı ve düşük yoğunluk sunar. Hafif ve yüksek dayanımlı polimerler elde etmek için grafen ve grafen oksit bir kompozit matrisine dahil edilir. Mekanik takviyeyi sağlamak için grafen tabakalarının / levhacıklarının çok ince biçimde disperse edilmesi gerekir; çünkü aglomere olmuş grafen tabakaları takviye etkisini büyük ölçüde sınırlar.
Bilimsel araştırmalar, iyileşmenin büyüklüğünün çoğunlukla grafen tabakalarının matris içindeki dispersiyon derecesine bağlı olduğunu göstermiştir. İstenen etkileri yalnızca homojen olarak disperse edilmiş grafen sağlar. Güçlü hidrofobikliği ve van der Waals çekimi nedeniyle grafen, birbirleriyle zayıf etkileşen tek katmanlı tabakalardan oluşan pullar halinde agregasyon ve aglomerasyon göstermeye yatkındır.
Yaygın dispersiyon teknikleri çoğu zaman homojen, hasar görmemiş grafen dispersiyonları üretemezken, yüksek güçlü sonikatörler yüksek kaliteli grafen dispersiyonları üretir. Hielscher sonikatörleri, bozulmamış grafeni, grafen oksidi ve indirgenmiş grafen oksidi düşükten yüksek konsantrasyonlara ve küçükten büyük hacimlere kadar sorunsuz biçimde işler. Yaygın olarak kullanılan bir çözücü N-metil-2-pirolidondur (NMP); ancak yüksek güçlü ultrasonik işlemeyle grafen, aseton, kloroform, IPA ve siklohekzanon gibi düşük kaynama noktalı, zayıf çözücülerde bile disperse edilebilir.
Grafenin toplu eksfoliasyonu hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!
Karbon Nanotüpler ve Diğer Nanomalzemeler
Yüksek güçlü ultrasonik işlemenin ince boyutlu dispersiyonlarını oluşturduğu kanıtlanmış çeşitli nanomalzemeler arasında karbon nanotüpler (CNT’ler), SWNT’ler, MWNT’ler, fullerenler, silika (SiO2), titanyum dioksit (TiO2), gümüş (Ag), çinko oksit (ZnO), nanofibrillenmiş selüloz ve daha birçok malzeme bulunur. Genel olarak sonikasyon, geleneksel disperserlerden daha yüksek performans gösterir ve benzersiz sonuçlar elde edebilir.
Nanoparçacıkların öğütülmesi ve disperse edilmesinin yanı sıra, ultrasonik çöktürme (aşağıdan yukarıya sentez) yoluyla nanoparçacık sentezlenerek de mükemmel sonuçlar elde edilir. Örneğin ultrasonik olarak sentezlenen manyetit, sodyum çinko molibdat ve diğer maddelerin parçacık boyutunun, geleneksel yöntemle elde edilenlere kıyasla daha küçük olduğu gözlemlenmiştir. Daha küçük boyut, ultrasonik kavitasyonun oluşturduğu kesme ve türbülans sayesinde artan çekirdeklenme hızına ve daha iyi karışma düzenlerine bağlanmaktadır.
Ultrasonik aşağıdan yukarıya çöktürme hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!
Ultrasonik Parçacık İşlevselleştirme
Bir parçacığın özgül yüzey alanı, boyutunun küçülmesiyle artar. Özellikle nanoteknolojide, parçacığın yüzey alanının genişlemesiyle malzeme özelliklerinin ortaya çıkışı önemli ölçüde artar. Parçacık yüzeyine uygun fonksiyonel moleküller bağlanarak yüzey alanı ultrasonik olarak artırılabilir ve değiştirilebilir. Nanomalzemelerin uygulanması ve kullanımı açısından yüzey özellikleri, parçacık çekirdeğinin özellikleri kadar önemlidir.
Ultrasonik olarak işlevselleştirilmiş parçacıklar polimerlerde, kompozitlerde ve biyokompozitlerde, nanoakışkanlarda, birleştirilmiş cihazlarda, nanotıp ürünlerinde vb. yaygın olarak kullanılır. Parçacık işlevselleştirme yoluyla kararlılık, dayanım ve rijitlik, çözünürlük, polidispersite, floresans, manyetizma, süperparamanyetizma, optik soğurma, yüksek elektron yoğunluğu, fotolüminesans vb. özellikler büyük ölçüde iyileştirilir.
Hielscher ultrasonik sistemleriyle ticari olarak işlevselleştirilen yaygın parçacıklar arasında CNT’ler, SWNT’ler, MWNT’ler, grafen, grafit, silika (SiO2), nanoelmaslar, manyetit (demir oksit, Fe3O4), gümüş nanoparçacıkları, altın nanoparçacıkları, gözenekli ve mezogözenekli nanoparçacıklar vb. bulunur.
Ultrasonik parçacık işlemeye ilişkin seçilmiş uygulama notlarını görmek için buraya tıklayın!
Ultrasonik Disperserler
Hielscher ultrasonik dispersiyon ekipmanı laboratuvar, tezgâh üstü kullanım ve endüstriyel üretim için mevcuttur. Hielscher sonikatörleri güvenilir, sağlam, kullanımı ve temizlenmesi kolay cihazlardır. Ekipman, ağır hizmet koşullarında 24/7 çalışmak üzere tasarlanmıştır. Ultrasonik sistemler kesikli ve hat içi işlemede kullanılabilir – esnektir ve prosesinize ve gereksinimlerinize kolayca uyarlanabilir.
Ultrasonik Kesikli ve Hat İçi İşleme Kapasiteleri
| Parti Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 5–200mL | 50–500mL/min | UP200Ht, UP400S |
| 0,1–2L | 0,25–2m3/hr | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0,4–10L | 1–8m3/hr | UIP4000 |
| n.a. | 4–30m3/hr | UIP16000 |
| n.a. | 30m3/hr üzeri | Cihaz kümesi: UIP10000 veya UIP16000 |
Parçacık işlevselleştirme için ultrasonik laboratuvar cihazı
Literatür/Kaynaklar
- Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): “Ultrasonik olarak hazırlanmış sodyum çinko molibdat nanopigmentinin iki bileşenli epoksi-poliamid kaplamadaki korozyon önleme performansının incelenmesi. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
- Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Çekirdek-kabuk nanoparçacıkları kullanılarak yeni manyetik poliüretan köpük nanokompozitlerinin hazırlanması. Polímeros vol.26 no.4, 2016.
- Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): Grafen Oksit–Polistiren Kompozit Malzemesinin Hazırlanması. 3. Uluslararası Çevre, Kimya ve Biyoloji Konferansı. IPCBEE vol.78, 2014.
Bilinmesi Gereken Bilgiler
Kompozit Malzemeler Hakkında
Kompozit malzemeler (bileşim malzemesi olarak da bilinir), önemli ölçüde farklı fiziksel veya kimyasal özelliklerle karakterize edilen iki veya daha fazla bileşenden oluşan malzemeler olarak tanımlanır. Bu bileşen malzemeler birleştirildiğinde, tek tek bileşenlerden farklı özellikler gösteren yeni bir malzeme – kompozit olarak adlandırılan malzeme – üretilir. Tek tek bileşenler, tamamlanmış yapıda ayrı ve birbirinden farklı olarak kalır.
Yeni malzeme daha iyi özelliklere sahiptir; örneğin geleneksel malzemelere kıyasla daha dayanıklı, daha hafif, daha dirençli veya daha ucuzdur. Nanokompozitlerdeki iyileştirmeler mekanik, elektriksel / iletkenlik, termal, optik ve elektrokimyasal özelliklerden katalitik özelliklere kadar uzanır.
Tipik mühendislik ürünü kompozit malzemeler şunları içerir:
- biyokompozitler
- lif takviyeli polimer gibi takviyeli plastikler
- metal kompozitler
- seramik kompozitler (seramik matrisli ve metal matrisli kompozit)
Kompozit malzemeler genellikle tekne gövdeleri, tezgâhlar, otomobil gövdeleri, küvetler, depolama tankları, imitasyon granit ve yapay mermer lavabolar gibi yapı ve yapısal malzemelerde, ayrıca uzay araçları ve uçaklarda kullanılır.
Kompozitlerde, metal matrisli kompozitlerde (MMC) veya kemik (kolajen lifleriyle takviye edilmiş hidroksiapatit), sermet (seramik ve metal) ve beton içeren seramik matrisli kompozitlerde (CMC) olduğu gibi, diğer metalleri takviye eden metal lifler de kullanılabilir.
Organik matris/seramik agrega kompozitleri arasında asfalt betonu, polimer betonu, mastik asfalt, mastic roller hybrid, dental kompozit, sintaktik köpük ve sedef bulunur.
Ultrasonun Parçacıklar Üzerindeki Etkileri Hakkında
Parçacık boyutu belirli bir düzeye (kritik boyut olarak bilinir) indirildiğinde parçacık özellikleri gözlemlenebilir. Parçacık boyutları nanometre düzeyine ulaştığında, faz arayüzlerindeki etkileşimler büyük ölçüde iyileşir; bu, malzeme özelliklerinin artırılması için kritik öneme sahiptir. Dolayısıyla nanokompozitlerde takviye için kullanılan malzemelerin yüzey alanı : hacim oranı en büyük öneme sahiptir. Nanokompozitler, havacılık ve uzay, otomotiv, elektronik, biyoteknoloji, ilaç ve tıp sektörleri dahil olmak üzere sanayinin neredeyse tüm sektörleri için teknolojik ve ekonomik avantajlar sunar. Bir diğer büyük avantajları çevre dostu olmalarıdır.
Yüksek güçlü ultrason, yoğun karıştırma ve dispersiyon etkisiyle matris ile parçacıklar arasındaki ıslanabilirliği ve homojenleşmeyi iyileştirir; bu karıştırma ve dispersiyon etkisini oluşturan süreç ultrasonik kavitasyondur. Nanomalzemeler söz konusu olduğunda sonikasyon en yaygın kullanılan ve en başarılı dispersiyon yöntemi olduğundan, Hielscher ultrasonik sistemleri dünya genelinde laboratuvarlarda, pilot tesislerde ve üretimde kuruludur.