Sản xuất hydrogel với nhiều ưu điểm bằng siêu âm

Xử lý siêu âm là một kỹ thuật có hiệu quả cao, đáng tin cậy và đơn giản để điều chế hydrogel hiệu năng cao. Những hydrogel này có các đặc tính vật liệu ưu việt như khả năng hấp thụ, tính nhớt đàn hồi, độ bền cơ học, mô đun nén và khả năng tự phục hồi.

Trùng hợp và phân tán bằng siêu âm để sản xuất hydrogel

Hydrogel là các mạng lưới polyme ba chiều ưa nước, có khả năng hấp thụ lượng lớn nước hoặc chất lỏng. Hydrogel có khả năng trương nở vượt trội. Các thành phần cấu tạo phổ biến của hydrogel bao gồm polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, natri polyacrylat, các polyme acrylat, carbomer, polysaccharide hoặc polypeptide có nhiều nhóm ưa nước và các protein tự nhiên như collagen, gelatin và fibrin.
Các hydrogel được gọi là hydrogel lai bao gồm nhiều vật liệu khác biệt về mặt hóa học, chức năng và hình thái, chẳng hạn như protein, peptide hoặc các cấu trúc nano / vi mô.
Phân tán bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi như một kỹ thuật có hiệu quả cao và đáng tin cậy để phân bố đồng nhất các vật liệu nano như ống nano carbon (CNTs, MWCNTs, SWCNTs), tinh thể nano cellulose, sợi nano chitin, titan dioxide, hạt nano bạc, protein và các cấu trúc cỡ micromet hoặc nanomet khác trong nền polyme của hydrogel. Điều này khiến xử lý siêu âm trở thành một công cụ chủ chốt để sản xuất hydrogel hiệu năng cao với các đặc tính vượt trội.

Kết quả nghiên cứu – Điều chế hydrogel bằng siêu âm

Thứ nhất, xử lý siêu âm thúc đẩy các phản ứng trùng hợp và tạo liên kết ngang trong quá trình hình thành hydrogel.
Thứ hai, xử lý siêu âm đã được chứng minh là một kỹ thuật phân tán đáng tin cậy và hiệu quả để sản xuất hydrogel và hydrogel compozit nano.

Tạo liên kết ngang và trùng hợp hydrogel bằng siêu âm

Xử lý siêu âm hỗ trợ hình thành mạng lưới polyme trong quá trình tổng hợp hydrogel thông qua việc tạo ra các gốc tự do. Sóng siêu âm cường độ cao tạo ra hiện tượng xâm thực âm, gây ra lực cắt lớn, sự cắt ở cấp độ phân tử và sự hình thành các gốc tự do.

Cass và cộng sự (2010) đã điều chế một số “hydrogel acrylic thông qua quá trình trùng hợp các monome và monome đại phân tử tan trong nước bằng siêu âm. Siêu âm được sử dụng để tạo ra các gốc khơi mào trong dung dịch monome nhớt trong nước, sử dụng các chất phụ gia glycerol, sorbitol hoặc glucose trong một hệ hở ở 37°C. Các chất phụ gia tan trong nước là thành phần thiết yếu để sản xuất hydrogel, trong đó glycerol có hiệu quả cao nhất. Hydrogel được điều chế từ các monome 2-hydroxyethyl methacrylate, poly(ethylene glycol) dimethacrylate, dextran methacrylate, axit acrylic/ethylene glycol dimethacrylate và acrylamide/bis-acrylamide.” [Cass et al. 2010] Việc sử dụng siêu âm bằng thiết bị siêu âm dạng đầu dò được xác định là một phương pháp hiệu quả để trùng hợp các monome vinyl tan trong nước và sau đó điều chế hydrogel. Quá trình trùng hợp được khơi mào bằng siêu âm diễn ra nhanh chóng khi không có chất khơi mào hóa học.
Xem toàn bộ quy trình thực nghiệm của nghiên cứu tại đây!
 

Phân tán silica khói bằng siêu âm: Máy đồng nhất siêu âm Hielscher UP400S phân tán bột silica thành các hạt nano riêng lẻ một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Đọc thêm về tổng hợp hydrogel compozit nano và nanogel bằng siêu âm!

Xử lý siêu âm tương thích với mọi loại polyme và polyme sinh học, đồng thời cho phép gia cường hydrogel lai bằng các vật liệu có cấu trúc nano như hạt nano, tinh thể nano hoặc sợi nano. Việc gia cường hydrogel bằng nhiều vật liệu nano khác nhau cho phép điều chỉnh và kiểm soát các tính chất hóa lý và lưu biến–cơ học của hydrogel compozit nano, vì các cấu trúc vi mô là yếu tố then chốt quyết định các đặc tính vật liệu thu được.

Chế tạo hydrogel Poly(acrylamide-co-itaconic acid) – MWCNT bằng xử lý siêu âm

Mohammadinezhada và cộng sự (2018) đã sản xuất thành công vật liệu composite hydrogel siêu hấp thụ chứa poly(acrylamide-co-itaconic acid) và ống nano carbon đa vách (MWCNTs). Quá trình xử lý siêu âm được thực hiện bằng thiết bị siêu âm Hielscher UP200S. Độ ổn định của hydrogel tăng khi tỷ lệ MWCNTs tăng, điều này có thể là do bản chất kỵ nước của MWCNTs cũng như sự gia tăng mật độ chất tạo liên kết ngang. Khả năng giữ nước (WRC) của hydrogel P(AAm-co-IA) cũng tăng khi có mặt MWCNT (10 wt%). Trong nghiên cứu này, tác dụng của xử lý siêu âm được đánh giá là vượt trội về khả năng phân bố đồng đều các ống nano carbon trên bề mặt polyme. MWCNTs vẫn nguyên vẹn mà không gây bất kỳ sự gián đoạn nào trong cấu trúc polyme. Ngoài ra, độ bền của vật liệu nanocomposite thu được, khả năng giữ nước và khả năng hấp thụ các chất hòa tan khác như Pb (II) đều tăng. Quá trình xử lý siêu âm phân cắt chất khơi mào và phân tán MWCNTs như một chất độn tuyệt vời trong các chuỗi polyme khi nhiệt độ tăng.
Các nhà nghiên cứu kết luận rằng “không thể đạt được các điều kiện phản ứng này bằng các phương pháp thông thường, cũng như không thể đạt được tính đồng nhất và sự phân tán tốt của các hạt trong vật liệu nền. Ngoài ra, quá trình xử lý siêu âm tách các hạt nano thành từng hạt riêng lẻ, trong khi khuấy không thể làm được điều này. Một cơ chế giảm kích thước khác là tác động của sóng âm mạnh lên các liên kết thứ cấp như liên kết hydro; sự chiếu xạ này phá vỡ liên kết hydro giữa các hạt, sau đó phân tách các hạt kết tụ và làm tăng số lượng các nhóm hấp phụ tự do như -OH cũng như khả năng tiếp cận các nhóm này. Do đó, hiện tượng quan trọng này khiến quá trình xử lý siêu âm trở thành phương pháp vượt trội so với các phương pháp khác như khuấy từ được sử dụng trong các tài liệu nghiên cứu.” [Mohammadinezhada et al., 2018]

Máy siêu âm hiệu suất cao để tổng hợp hydrogel

Hielscher Ultrasonics sản xuất thiết bị siêu âm hiệu suất cao để tổng hợp hydrogel. Từ các máy siêu âm quy mô nhỏ và vừa dành cho nghiên cứu và phát triển và quy mô thí điểm đến các hệ thống công nghiệp để sản xuất hydrogel thương mại ở chế độ liên tục, Hielscher Ultrasonics đáp ứng các yêu cầu quy trình của bạn.
Máy siêu âm cấp công nghiệp có thể cung cấp biên độ rất cao, cho phép thực hiện các phản ứng tạo liên kết ngang và trùng hợp một cách đáng tin cậy, đồng thời phân tán đồng đều các hạt nano. Có thể dễ dàng vận hành liên tục ở biên độ lên đến 200µm theo chế độ 24/7/365. Đối với biên độ cao hơn nữa, có sẵn các đầu sonotrode siêu âm được tùy chỉnh.

Hãy liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay để nhận thêm thông tin kỹ thuật, giá cả và báo giá không ràng buộc. Đội ngũ nhân viên giàu kinh nghiệm lâu năm của chúng tôi sẵn lòng tư vấn cho bạn!
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:

Hielscher SonoStation giúp xử lý siêu âm các mẻ cỡ vừa bằng buồng phản ứng dòng chảy một cách dễ dàng. SonoStation nhỏ gọn kết hợp bồn khuấy 38 lít với bơm trục vít lệch tâm có thể điều chỉnh, có khả năng cấp tối đa 3 lít mỗi phút vào một hoặc hai buồng phản ứng siêu âm dòng chảy.