Ультразвукова формуляція армованих композитів
- Композити демонструють унікальні властивості матеріалу, такі як значно підвищена термостабільність, модуль пружності, міцність на розрив, міцність на руйнування, і тому широко використовуються у виробництві різноманітних виробів.
- Доведено, що ультразвук дозволяє отримувати високоякісні нанокомпозити з високодисперсними ВНТ, графеном тощо.
- Ультразвукове обладнання для створення армованих композитів випускається в промислових масштабах.
нанокомпозити
Нанокомпозити вирізняються своїми механічними, електричними, тепловими, оптичними, електрохімічними та/або каталітичними властивостями.
Завдяки надзвичайно високому співвідношенню поверхні до об'єму армуючої фази та/або надзвичайно високому співвідношенню сторін, нанокомпозити значно ефективніші, ніж звичайні композити. Для армування часто використовуються наночастинки, такі як сферичний кремнезем, мінеральні листи, такі як слущений графен або глина, або нановолокна, такі як вуглецеві нанотрубки або електропрядні волокна.
Наприклад, для поліпшення електро- і теплопровідності додають вуглецеві нанотрубки, для поліпшення механічних, термічних і водонепроникних властивостей використовують нанокремнезем. Інші види наночастинок дають покращені оптичні властивості, діелектричні властивості, термостійкість або механічні властивості, такі як жорсткість, міцність і стійкість до корозії та пошкоджень.
Приклади для нанокомпозитів з ультразвуковою формулою:
- вуглецеві нанотрубки (ВНТ) у вінілефірній матриці
- ВНТ / вуглецева цибуля / нано алмази в нікелевій металевій матриці
- ВНТ в матриці з магнієвого сплаву
- ВНТ в матриці на полівініловому спирті (ПВС)
- багатошарова вуглецева нанотрубка (MWCNT) у матриці з епоксидної смоли (з використанням метилтетрагідрофталевого ангідриду (MTHPA) як затверджувача)
- оксид графену в полі(вініловому спирті) (PVA) матриці
- Наночастинки SiC в матриці магнію
- нанодіоксид кремнію (Aerosil) в полістирольній матриці
- магнітний оксид заліза в гнучкій поліуретановій (PU) матриці
- оксид нікелю в графіті/полі(вінілхлориді)
- наночастинки титану в матриці полімолочної ко-гліколевої кислоти (PLGA)
- наногідроксиапатит у матриці полімолочної ко-гліколевої кислоти (PLGA)
Ультразвукова дисперсія
Параметри ультразвукового процесу можна точно контролювати та оптимально адаптувати до складу матеріалу та бажаної якості продукції. Ультразвукова дисперсія є рекомендованою технікою для включення наночастинок, таких як ВНТ або графен, у нанокомпозити. Багаторічно перевірений на науковому рівні та впроваджений на багатьох промислових виробничих підприємствах, ультразвукове диспергування та формулювання нанокомпозитів є добре зарекомендованим методом. Багаторічний досвід Hielscher в ультразвуковій обробці наноматеріалів забезпечує глибокі консультації, рекомендації відповідної ультразвукової установки та допомогу під час розробки та оптимізації процесу.
Здебільшого, армуючі наночастинки диспергуються в матриці під час обробки. Ваговий відсоток (масова частка) доданого наноматеріалу коливається в нижній шкалі, наприклад, від 0,5% до 5%, оскільки рівномірна дисперсія, досягнута за допомогою ультразвуку, дозволяє зберегти армуючі наповнювачі та підвищити ефективність армування.
Типовим застосуванням ультразвуку у виробництві є формулювання композиту з наночастинками та смолою. Для отримання армованого ВНТ вінілового ефіру використовується ультразвукова обробка для розсіювання та функціоналізації ВНТ. Ці ВНТ-вініловий ефір характеризуються підвищеними електричними та механічними властивостями.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про дисперсію ВНТ!
графен
Графен має виняткові фізичні властивості, високе співвідношення сторін і низьку щільність. Графен і оксид графену інтегруються в композитну матрицю з метою отримання легких високоміцних полімерів. Щоб досягти механічного армування, графенові листи / пластини повинні бути дуже дрібнодисперсними, оскільки агломеровані графенові листи різко обмежують армуючий ефект.
Наукові дослідження показали, що величина поліпшення в основному залежить від дисперсійного класу графенових листів в матриці. Тільки однорідно дисперсний графен дає бажані ефекти. Через свою сильну гідрофобність і тяжіння ван-дер-Ваальса графен схильний до агрегації та агломерації в пластівці слабо взаємодіючих моношарових листів.
У той час як поширені методи дисперсії часто не можуть отримати однорідні, непошкоджені дисперсії графену, ультразвуки високої потужності виробляють високоякісні дисперсії графену. Ультразвукові апарати Hielscher без проблем обробляють незайманий графен, оксид графену та відновлений оксид графену від низької до високої концентрації та від малих до великих обсягів. Зазвичай використовуваним розчинником є N-метил-2-піролідон (NMP), але за допомогою ультразвуку високої потужності графен можна навіть диспергувати в розчинниках з поганою температурою кипіння, таких як ацетон, хлороформ, IPA та циклогексанон.
Натисніть тут, щоб прочитати більше про масове відлущування графену!
Вуглецеві нанотрубки та інші наноматеріали
Доведено, що енергетичний ультразвук призводить до дрібнорозмірних дисперсій різних наноматеріалів, включаючи вуглецеві нанотрубки (CNT), SWNT, MWNT, фулерени, кремнезем (SiO)2), діоксид титану (TiO2), срібло (Ag), оксид цинку (ZnO), нанофібрильована целюлоза та багато інших. В цілому, ультразвук перевершує звичайні диспергатори і дозволяє досягти унікальних результатів.
Крім подрібнення та диспергування наночастинок, чудові результати досягаються за рахунок синтезу наночастинок за допомогою ультразвукового осадження (синтез знизу-вгору). Було помічено, що розмір частинок, наприклад, ультразвуково синтезованого магнетиту, молібдату цинку натрію та інших, нижчий у порівнянні з тим, що отримано за допомогою звичайного методу. Нижчий розмір пояснюється підвищеною швидкістю зародження та кращими схемами змішування через зсув та турбулентність, що виникають під час ультразвукової кавітації.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про ультразвукові опади знизу вгору!
Функціоналізація ультразвукових частинок
Питома площа поверхні частинки збільшується зі зменшенням розмірів. Особливо в нанотехнологіях вираз характеристик матеріалу значно збільшується за рахунок збільшення площі поверхні частинки. Площа поверхні може бути ультразвуково збільшена і змінена шляхом приєднання відповідних функціональних молекул на поверхні частинок. Що стосується застосування та використання наноматеріалів, то властивості поверхні так само важливі, як і властивості ядра частинок.
Ультразвуково функціоналізовані частинки широко використовуються в полімерах, композитах & біокомпозити, нанорідини, зібрані пристрої, нанопрепарати тощо. За функціоналізацією частинок досягаються такі характеристики, як стійкість, міцність & Різко поліпшуються жорсткість, розчинність, полідисперсність, флуоресценція, магнетизм, суперпарамагнетизм, оптичне поглинання, висока електронна щільність, фотолюмінесценція тощо.
Загальні частинки, які комерційно функціоналізовані за допомогою Hielscher’ Ультразвукові системи включають CNT, SWNT, MWNTs, графен, графіт, кремнезем (SiO)2), наноалмази, магнетит (оксид заліза, Fe3O4), наночастинки срібла, наночастинки золота, пористі & мезопористі наночастинки та ін.
Натисніть тут, щоб переглянути примітки щодо вибраних застосувань для обробки ультразвуковими частинками!
ультразвукові диспергатори
Ультразвукове диспергуюче обладнання Hielscher доступне для лабораторного, настільного та промислового виробництва. Ультразвукові апарати Hielscher надійні, міцні, прості в експлуатації та чищенні. Обладнання розраховане на роботу 24/7 у важких умовах експлуатації. Ультразвукові системи можуть використовуватися для періодичної та потокової обробки – гнучкий і легко адаптується до вашого процесу та вимог.
Ультразвукові пакетні та вбудовані потужності
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| Від 5 до 200 мл | Від 50 до 500 мл/хв | UP200Ht, UP400S |
| 0від 1 до 2 л | 0від .25 до 2 м3/год | UIP1000hd, UIP2000hd |
| 0від 4 до 10 л | Від 1 до 8 м3/год | UIP4000 |
| Н.А. | Від 4 до 30 м3/год | UIP16000 |
| Н.А. | вище 30 хв3/год | кластер UIP10000 або UIP16000 |
Ультразвуковий лабораторний прилад для функціоналізації частинок
Література/Список літератури
- Капол, С.А.:; Бханвазе, Б.А.; Пінджарі, Д. В.; Гогат, П. Р.; Кулькамі, Р. Д.; Сонаван, С. Х.; Пандіт, А.Б. (2014): “Дослідження ефективності інгібування корозії нанопігменту молібдату натрію, цинку, отриманого в двох упаковках епоксидно-поліамідного покриття. Композитні інтерфейси 21/9, 2015. 833-852.
- Нік'є, М.М.А.; Могаддам, С.Т.; Норузян, М. (2016): Отримання нових нанокомпозитів магнітного пінополіуретану з використанням наночастинок серцевини-оболонки. Polímeros том 26 No4, 2016.
- Толаш, Й.; Штенгль, В.; Екочард, П. (2014): Приготування композитного матеріалу оксиду графену–полістиролу. 3-тя Міжнародна конференція з екології, хімії та біології. IPCBEE том 78, 2014.
Факти, які варто знати
Про композитні матеріали
Композитні матеріали (також відомі як композиційний матеріал) описуються як матеріал, виготовлений з двох або більше складових, які характеризуються значно різними фізичними або хімічними властивостями. Коли ці складові матеріали поєднуються, утворюється новий матеріал – так званий композит – випускається, який показує відмінні характеристики від окремих компонентів. Окремі компоненти залишаються відокремленими та відмінними в межах готової структури.
Новий матеріал має кращі властивості, наприклад, він міцніший, легший, стійкіший або дешевший у порівнянні зі звичайними матеріалами. Удосконалення нанокомпозитів варіюються від механічних, електричних / провідних, теплових, оптичних, електрохімічних до каталітичних властивостей.
Типові інженерні композитні матеріали включають:
- біокомпозити
- армовані пластики, такі як полімер, армований волокном
- металеві композити
- керамічні композити (керамічна матриця та композит з металевою матрицею)
Композитні матеріали зазвичай використовуються для будівництва та структурування матеріалів, таких як корпуси човнів, стільниці, кузови автомобілів, ванни, резервуари для зберігання, мийки з імітації граніту та культивованого мармуру, а також у космічних кораблях та літаках.
Композити також можуть використовувати металеві волокна, що зміцнюють інші метали, як у композитах з металевою матрицею (MMC) або композитах з керамічною матрицею (CMC), які включають кістку (гідроксиапатит, армовану колагеновими волокнами), металокераміку (керамічну та металеву) та бетон.
Композити з органічної матриці/керамічного заповнювача включають асфальтобетон, полімербетон, мастику асфальт, мастичну роликову гібридну, стоматологічний композит, синтаксичну піну та перламутр.
Про вплив ультразвуку на частинки
Властивості частинок можна спостерігати, коли розмір частинок зменшується до певного рівня (відомого як критичний розмір). Коли розміри частинок досягають нанометрового рівня, взаємодія на фазових поверхнях розділу значно поліпшується, що має вирішальне значення для поліпшення характеристик матеріалів. Таким чином, відношення площа поверхні до об'єму матеріалів, які використовуються для армування в нанокомпозитах, є найбільш значущим. Нанокомпозити пропонують технологічні та економічні переваги практично для всіх секторів промисловості, включаючи аерокосмічний, автомобільний, електронний, біотехнологічний, фармацевтичний та медичний сектори. Ще однією великою перевагою є їх екологічність.
Потужний ультразвук покращує змочуваність і гомогенізацію між матрицею і частинками шляхом його інтенсивного змішування і диспергування – Створено ультразвукова кавітація. Оскільки ультразвук є найбільш широко використовуваним і найуспішнішим методом диспергування, коли мова йде про наноматеріали, ультразвукові системи Hielscher встановлюються в лабораторіях, дослідних установках і на виробництві по всьому світу.