Ультразвукове формування армованих композитів

Композити демонструють унікальні матеріальні властивості, такі як значно підвищена термостабільність, модуль пружності, міцність на розрив, міцність на руйнування, і тому широко використовуються у виробництві різноманітної продукції.
Доведено, що ультразвукова обробка дозволяє отримувати високоякісні нанокомпозити з високодисперсними вуглецевими нанотрубками, графеном тощо.
Ультразвукове обладнання для формування армованих композитів доступне в промислових масштабах.

Нанокомпозити

Нанокомпозити вирізняються своїми механічними, електричними, термічними, оптичними, електрохімічними та/або каталітичними властивостями.
Завдяки надзвичайно високому відношенню площі поверхні до об’єму армуючої фази та/або їх надзвичайно високому відношенню сторін, нанокомпозити є значно більш ефективними, ніж звичайні композити. Для армування часто використовуються наночастинки, такі як сферична кремнеземна, мінеральні пластинки, такі як ексфольований графен або глина, або нановолокна, такі як вуглецеві нанотрубки або електроспінені волокна.
Наприклад, вуглецеві нанотрубки додають для покращення електричної та теплової провідності, нанокремнезем використовують для покращення механічних, термічних властивостей та водостійкості. Інші види наночастинок забезпечують покращені оптичні властивості, діелектричні властивості, термостійкість або механічні властивості, такі як жорсткість, міцність та стійкість до корозії та пошкоджень.

Приклади нанокомпозитів, отриманих за допомогою ультразвуку:

вуглецеві нанотрубки (CNT) у матриці з вінілефіру
CNT / вуглецеві цибулини / нанодіаманти у металевій матриці з нікелю
CNT у матриці з магнієвого сплаву
CNT у матриці з полівінілового спирту (PVA)
багатошарові вуглецеві нанотрубки (MWCNT) у матриці з епоксидної смоли (з використанням метилтетрагідрофталового ангідриду (MTHPA) як затверджувача)
оксид графену у матриці з полівінілового спирту (PVA)
наночастинки SiC у матриці з магнію
нанокремнезем (Aerosil) у матриці з полістиролу
магнітний оксид заліза у гнучкій матриці з поліуретану (PU)
оксид нікелю у графіті/полівінілхлориді
наночастинки діоксиду титану у матриці з полілактокогліколевої кислоти (PLGA)
наногідроксиапатит у матриці з полілактокогліколевої кислоти (PLGA)

Ультразвукова дисперсія

Ультразвукові параметри процесу можна точно контролювати та оптимально адаптувати до складу матеріалу та бажаної якості вихідного продукту. Ультразвукова дисперсія є рекомендованою технікою для введення наночастинок, таких як CNT або графен, у нанокомпозити. Довго перевірена на науковому рівні та впроваджена на багатьох промислових виробничих установках, ультразвукова дисперсія та формування нанокомпозитів є добре зарекомендованим методом. Багаторічний досвід Hielscher у ультразвуковій обробці наноматеріалів гарантує глибоке консультування, рекомендацію відповідної ультразвукової установки та допомогу під час розробки та оптимізації процесу.
Зазвичай армуючі наночастинки диспергуються в матриці під час обробки. Масова частка (масова фракція) доданого наноматеріалу знаходиться в нижньому діапазоні, наприклад, від 0,5% до 5%, оскільки однорідна дисперсія, досягнута за допомогою ультразвукової обробки, дозволяє економити армуючі наповнювачі та забезпечує вищу ефективність армування.
Типовим застосуванням ультразвуку у виробництві є формування композитів на основі смоли з наночастинками. Для вироблення вінілефіру, армованого CNT, ультразвукова обробка використовується для диспергування та функціоналізації CNT. Ці CNT-вінілефіри характеризуються покращеними електричними та механічними властивостями.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про дисперсію CNT!

Неорганічні частинки можна функціоналізувати за допомогою ультразвукової обробки

Наночастинка, функціоналізована за допомогою ультразвуку

Ультразвукові пристрої для лабораторного та промислового використання, такі як UIP1500hd, забезпечують повний промисловий рівень. (Натисніть, щоб збільшити!)

Ультразвуковий пристрій UIP1500hd з проточною реакторною камерою

Графен

Графен пропонує виняткові фізичні властивості, високе відношення сторін і низьку щільність. Графен і оксид графену інтегруються в матрицю композиту, щоб отримати легкі, високоміцні полімери. Для досягнення механічного армування листи/пластинки графену повинні бути дуже дрібно дисперговані, оскільки агломеровані листи графену різко обмежують армуючий ефект.
Наукові дослідження показали, що величина покращення переважно залежить від ступеня дисперсії листів графену в матриці. Лише однорідно диспергований графен дає бажані ефекти. Через свою сильну гідрофобність і ван-дер-ваальсову взаємодію графен схильний до агрегації та агломерації у пластівці слабко взаємодіючих одношарових листів.
Хоча загальноприйняті методи диспергування часто не можуть виробляти однорідні, непошкоджені дисперсії графену, високоефективні ультразвукові гомогенізатори виробляють високоякісні дисперсії графену. Ультразвукові гомогенізатори Hielscher обробляють чистий графен, оксид графену та відновлений оксид графену від низьких до високих концентрацій і від малих до великих об’ємів без проблем. Загальновживаним розчинником є N-метил-2-піролідон (NMP), але за допомогою високоефективної ультразвукової обробки графен можна навіть диспергувати в поганих, низькокиплячих розчинниках, таких як ацетон, хлороформ, IPA та циклогексанон.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про масове розшарування графену!

Вуглецеві нанотрубки та інші наноматеріали

Доведено, що високоефективна ультразвукова обробка призводить до дрібнодисперсних дисперсій різних наноматеріалів, включаючи вуглецеві нанотрубки (CNT), SWNT, MWNT, фулерени, діоксид кремнію (SiO₂), діоксид титану (TiO₂), срібло (Ag), оксид цинку (ZnO), нановолокниста целюлоза та багато інших. Загалом, ультразвукова обробка перевищує можливості звичайних диспергаторів і може досягати унікальних результатів.
Окрім млинового подрібнення та диспергування наночастинок, чудові результати досягаються шляхом синтезу наночастинок через ультразвукове осадження (синтез знизу вгору). Було спостережено, що розмір частинок, наприклад, ультразвуково синтезованого магнетиту, молібдату натрію-цинку та інших, є меншим порівняно з тим, що отримано за допомогою звичайного методу. Менший розмір пояснюється підвищеною швидкістю нуклеації та кращими моделями змішування завдяки зсуву та турбулентності, що генеруються ультразвуковою кавітацією.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про ультразвукове осадження знизу вгору!

Ультразвукова функціоналізація частинок

Питома поверхня частинки збільшується зі зменшенням розміру. Особливо в нанотехнологіях вираження характеристик матеріалу значно посилюється за рахунок збільшеної поверхні частинки. Поверхню можна ультразвуково збільшити та модифікувати, прикріпивши відповідні функціональні молекули на поверхню частинки. Щодо застосування та використання наноматеріалів, поверхневі властивості є такими ж важливими, як і властивості ядра частинки.
Ультразвуково функціоналізовані частинки широко використовуються в полімерах, композитах і біокомпозитах, нанорідинах, зібраних пристроях, наномедикаментах тощо. Завдяки функціоналізації частинок такі характеристики, як стабільність, міцність і жорсткість, розчинність, полідисперсність, флуоресценція, магнетизм, суперпарамагнетизм, оптичне поглинання, висока електронна щільність, фотолюмінесценція тощо, різко покращуються.
Загальновживані частинки, які комерційно функціоналізуються за допомогою ультразвукових систем Hielscher, включають CNT, SWNT, MWNT, графен, графіт, діоксид кремнію (SiO₂), нанодіаманти, магнетит (оксид заліза, Fe₃O₄), наночастинки срібла, наночастинки золота, пористі та мезопористі наночастинки тощо.
Натисніть тут, щоб переглянути вибрані примітки щодо застосування для ультразвукової обробки частинок!

Ультразвукові диспергатори

Обладнання для ультразвукової дисперсії Hielscher доступне для лабораторного, настільного та промислового виробництва. Ультразвукові обробники Hielscher є надійними, міцними, простими в експлуатації та очищенні. Обладнання розроблено для роботи 24/7 в умовах інтенсивного навантаження. Ультразвукові системи можна використовувати для періодичної та потокової обробки – гнучко та легко адаптуються до вашого процесу та вимог.

Періодичні та потокові потужності ультразвукової обробки

Об’єм партії	Об’ємна витрата	Рекомендовані пристрої
5 до 200mL	50 до 500mL/min	UP200Ht, UP400S
0,1 до 2L	0,25 до 2m³/hr	UIP1000hd, UIP2000hd
0,4 до 10L	1 до 8m³/hr	UIP4000
n.a.	4 до 30m³/hr	UIP16000
n.a.	понад 30m³/hr	кластер із UIP10000 або UIP16000

Ультразвуковий гомогенізатор UP200S для модифікації частинок та зменшення їх розміру (Натисніть, щоб збільшити!)

Лабораторний ультразвуковий пристрій для функціоналізації частинок

Література / Посилання

Kapole, S.A:; Bhanvase, B.A.; Pinjari, D.V.; Gogate, P.R.; Kulkami, R.D.; Sonawane, S.H.; Pandit, A.B. (2014): Дослідження ефективності інгібування корозії нанопігментом молібдату натрію та цинку, отриманим ультразвуковим методом, у двокомпонентному епоксидно-поліамідному покритті. Composite Interfaces 21/9, 2015. 833-852.
Nikje, M.M.A.; Moghaddam, S.T.; Noruzian, M.(2016): Отримання нових магнітних нанокомпозитів на основі пінополіуретану з використанням наночастинок типу «ядро–оболонка». Polímeros vol.26 no.4, 2016.
Tolasz, J.; Stengl, V.; Ecorchard, P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide–Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology. IPCBEE vol.78, 2014.

Пов’язані теми

Факти, які варто знати

Про композитні матеріали

Композитні матеріали (також відомі як композиційні матеріали) описуються як матеріали, виготовлені з двох або більше компонентів, які характеризуються суттєво різними фізичними або хімічними властивостями. Коли ці компоненти поєднуються, утворюється новий матеріал – так званий композит, який демонструє характеристики, відмінні від окремих компонентів. Окремі компоненти залишаються розділеними та чітко окресленими в готовій структурі.
Новий матеріал має кращі властивості, наприклад, він є міцнішим, легшим, більш стійким або дешевшим у порівнянні зі звичайними матеріалами. Покращення наноповіщених композитів охоплюють механічні, електричні / провідні, термічні, оптичні, електрохімічні та каталітичні властивості.

Типові інженерні композитні матеріали включають:

біокомпозити
армовані пластики, такі як полімери, армовані волокном
металеві композити
керамічні композити (композити з керамічною та металевою матрицею)

Композитні матеріали зазвичай використовуються для будівельних та конструкційних матеріалів, таких як корпуси човнів, стільниці, кузови автомобілів, ванни, резервуари для зберігання, імітація граніту та штучні мармурові раковини, а також у космічних апаратах та літаках.

Композити також можуть використовувати металеві волокна для армування інших металів, як у композитах з металевою матрицею (MMC) або композитах з керамічною матрицею (CMC), до яких належать кістка (гідроксиапатит, армований колагеновими волокнами), цермет (кераміка та метал) і бетон.
Композити з органічною матрицею/керамічним наповнювачем включають асфальтобетон, полімербетон, мастичний асфальт, mastic roller hybrid, стоматологічні композити, синтактичну 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, взаємодії на фазових інтерфейсах значно покращуються, що є вирішальним для підвищення характеристик матеріалів. Таким чином, відношення площі поверхні до об’єму матеріалів, які використовуються для армування в наноповіщених композитах, є найбільш значущим. Наноповіщені композити пропонують технологічні та економічні переваги для майже всіх секторів промисловості, включаючи аерокосмічну, автомобільну, електронну, біотехнологічну, фармацевтичну та медичну галузі. Ще однією великою перевагою є їхня екологічна безпека.
Потужний ультразвук покращує змочуваність та гомогенізацію між матрицею та частинками завдяки інтенсивному змішуванню та диспергуванню – створеному ультразвуковою кавітацією. Оскільки ультразвукова обробка є найбільш поширеним і найуспішнішим методом диспергування наноматеріалів, ультразвукові системи Hielscher встановлені в лабораторіях, пілотних установках і на виробництвах у всьому світі.