Chế tạo composite gia cường bằng siêu âm

• Composite có các tính chất vật liệu độc đáo như độ ổn định nhiệt, mô đun đàn hồi, độ bền kéo và độ bền phá hủy được cải thiện đáng kể, do đó được sử dụng rộng rãi để chế tạo nhiều loại sản phẩm.
• Xử lý bằng siêu âm đã được chứng minh là tạo ra composite nano chất lượng cao với CNT, graphene, v.v. được phân tán ở mức độ cao.
• Thiết bị siêu âm để chế tạo composite gia cường có sẵn ở quy mô công nghiệp.

Composite nano

Composite nano nổi bật nhờ các tính chất cơ học, điện, nhiệt, quang học, điện hóa và/hoặc xúc tác.
Nhờ tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích của pha gia cường đặc biệt cao và/hoặc tỷ lệ hình dạng đặc biệt cao, composite nano có hiệu năng vượt trội đáng kể so với composite thông thường. Các hạt nano như silica hình cầu, các tấm khoáng như graphene hoặc đất sét đã được bóc tách lớp, hay các sợi nano như ống nano carbon hoặc sợi kéo bằng điện thường được sử dụng để gia cường.
Ví dụ, ống nano carbon được bổ sung để cải thiện độ dẫn điện và dẫn nhiệt, còn silica nano được sử dụng để cải thiện các tính chất cơ học, nhiệt và khả năng chống nước. Các loại hạt nano khác giúp cải thiện các tính chất quang học, tính chất điện môi, khả năng chịu nhiệt hoặc các tính chất cơ học như độ cứng, độ bền và khả năng chống ăn mòn và hư hại.

Ví dụ về composite nano được chế tạo bằng siêu âm:

• ống nano carbon (CNT) trong nền vinyl este
• CNT / carbon cấu trúc củ hành / kim cương nano trong nền kim loại niken
• CNT trong nền hợp kim magiê
• CNT trong nền polyvinyl alcohol (PVA)
• ống nano carbon đa thành (MWCNT) trong nền nhựa epoxy (sử dụng methyl tetrahydrophthalic anhydride (MTHPA) làm chất đóng rắn)
• graphene oxit trong nền poly(vinyl alcohol) (PVA)
• hạt nano SiC trong nền magiê
• silica nano (Aerosil) trong nền polystyrene
• oxit sắt có từ tính trong nền polyurethane (PU) mềm dẻo
• niken oxit trong graphit/poly(vinyl clorua)
• hạt nano titan dioxit trong nền axit poly(lactic-co-glycolic) (PLGA)
• hydroxyapatite nano trong nền axit poly(lactic-co-glycolic) (PLGA)

Phân tán bằng siêu âm

Các thông số của quá trình siêu âm có thể được kiểm soát chính xác và điều chỉnh tối ưu theo thành phần vật liệu và chất lượng đầu ra mong muốn. Phân tán bằng siêu âm là kỹ thuật được khuyến nghị để đưa các hạt nano như CNT hoặc graphene vào composite nano. Đã được kiểm nghiệm trong thời gian dài ở cấp độ nghiên cứu khoa học và được triển khai tại nhiều nhà máy sản xuất công nghiệp, việc phân tán và chế tạo composite nano bằng siêu âm là một phương pháp đã được ứng dụng vững chắc. Kinh nghiệm lâu năm của Hielscher trong xử lý vật liệu nano bằng siêu âm bảo đảm dịch vụ tư vấn chuyên sâu, đề xuất cấu hình thiết bị siêu âm phù hợp và hỗ trợ trong quá trình phát triển và tối ưu hóa quy trình.
Trong phần lớn trường hợp, các hạt nano gia cường được phân tán vào nền trong quá trình xử lý. Tỷ lệ phần trăm theo khối lượng (phần khối lượng) của vật liệu nano được bổ sung nằm trong khoảng thấp, ví dụ từ 0,5% đến 5%, vì sự phân tán đồng đều đạt được bằng xử lý siêu âm cho phép tiết kiệm chất độn gia cường và đạt hiệu quả gia cường cao hơn.
Một ứng dụng điển hình của siêu âm trong sản xuất là chế tạo composite hạt nano–nhựa. Để sản xuất vinyl este gia cường bằng CNT, xử lý siêu âm được sử dụng để phân tán và chức năng hóa CNT. Các vật liệu CNT–vinyl este này có đặc trưng là các tính chất điện và cơ học được cải thiện.
Nhấp vào đây để đọc thêm về phân tán CNT!

Graphene

Graphene có các tính chất vật lý vượt trội, tỷ lệ hình dạng cao và khối lượng riêng thấp. Graphene và graphene oxit được tích hợp vào nền composite để tạo ra các polyme nhẹ, có độ bền cao. Để đạt được hiệu quả gia cường cơ học, các tấm / phiến graphene phải được phân tán rất mịn, vì các tấm graphene kết tụ làm hạn chế nghiêm trọng hiệu quả gia cường.
Nghiên cứu khoa học đã chỉ ra rằng mức độ cải thiện chủ yếu phụ thuộc vào mức độ phân tán của các tấm graphene trong nền. Chỉ graphene được phân tán đồng nhất mới mang lại các hiệu quả mong muốn. Do tính kỵ nước mạnh và lực hút van der Waals, graphene dễ tập hợp và kết tụ thành các vảy gồm những tấm đơn lớp tương tác yếu với nhau.
Trong khi các kỹ thuật phân tán thông thường thường không thể tạo ra hệ phân tán graphene đồng nhất mà không làm hư hại graphene, các thiết bị siêu âm công suất cao tạo ra hệ phân tán graphene chất lượng cao. Các thiết bị siêu âm của Hielscher xử lý dễ dàng graphene nguyên sơ, graphene oxit và graphene oxit khử từ nồng độ thấp đến cao và từ thể tích nhỏ đến lớn. Một dung môi thường được sử dụng là N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), nhưng với siêu âm công suất cao, graphene thậm chí có thể được phân tán trong các dung môi có khả năng hòa tan kém và điểm sôi thấp như axeton, cloroform, IPA và cyclohexanone.
Nhấp vào đây để đọc thêm về bóc tách lớp graphene với lượng lớn!

Ống nano cacbon và các vật liệu nano khác

Siêu âm công suất cao đã được chứng minh là tạo ra các hệ phân tán có kích thước hạt mịn từ nhiều vật liệu nano khác nhau, bao gồm ống nano cacbon (CNTs), SWNTs, MWNTs, fulleren, silica (SiO₂), titan đioxit (TiO₂), bạc (Ag), kẽm oxit (ZnO), xenlulo dạng sợi nano và nhiều vật liệu khác. Nhìn chung, xử lý bằng siêu âm vượt trội hơn các thiết bị phân tán thông thường và có thể đạt được những kết quả độc đáo.
Bên cạnh việc nghiền và phân tán các hạt nano, việc tổng hợp hạt nano thông qua kết tủa bằng siêu âm (tổng hợp từ dưới lên) cũng mang lại kết quả xuất sắc. Các quan sát cho thấy kích thước hạt, chẳng hạn của magnetit, natri kẽm molybdat và các chất khác được tổng hợp bằng siêu âm, nhỏ hơn so với kích thước thu được bằng phương pháp thông thường. Kích thước nhỏ hơn được cho là nhờ tốc độ tạo mầm tăng và chế độ trộn tốt hơn do lực cắt và dòng chảy rối phát sinh từ hiện tượng xâm thực siêu âm.
Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về kết tủa từ dưới lên bằng siêu âm!

Chức năng hóa hạt bằng siêu âm

Diện tích bề mặt riêng của hạt tăng khi kích thước giảm. Đặc biệt trong công nghệ nano, sự biểu hiện các đặc tính của vật liệu tăng đáng kể khi diện tích bề mặt hạt tăng. Diện tích bề mặt có thể được tăng và biến đổi bằng siêu âm thông qua việc gắn các phân tử chức năng thích hợp lên bề mặt hạt. Đối với ứng dụng và sử dụng vật liệu nano, các tính chất bề mặt cũng quan trọng như các tính chất của lõi hạt.
Các hạt được chức năng hóa bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi trong polyme, composite & composite sinh học, chất lưu nano, thiết bị lắp ráp, thuốc nano, v.v. Thông qua chức năng hóa hạt, các đặc tính như độ ổn định, độ bền & độ cứng vững, độ tan, độ đa phân tán, huỳnh quang, từ tính, tính siêu thuận từ, khả năng hấp thụ quang học, mật độ electron cao, quang phát quang, v.v. được cải thiện đáng kể.
Các loại hạt phổ biến được chức năng hóa ở quy mô thương mại bằng hệ thống siêu âm của Hielscher bao gồm CNTs, SWNTs, MWNTs, graphene, graphit, silica (SiO₂), kim cương nano, magnetit (oxit sắt, Fe₃O₄), hạt nano bạc, hạt nano vàng, hạt nano xốp & hạt nano mao quản trung bình, v.v.
Nhấp vào đây để xem các ghi chú ứng dụng được chọn lọc về xử lý hạt bằng siêu âm!

Thiết bị phân tán siêu âm

Thiết bị phân tán siêu âm của Hielscher có sẵn cho phòng thí nghiệm, quy mô để bàn và sản xuất công nghiệp. Các thiết bị siêu âm của Hielscher đáng tin cậy, bền chắc, dễ vận hành và vệ sinh. Thiết bị được thiết kế để vận hành 24/7 trong điều kiện làm việc khắc nghiệt. Các hệ thống siêu âm có thể được sử dụng để xử lý theo mẻ và trực tiếp trên dây chuyền – linh hoạt và dễ dàng điều chỉnh cho phù hợp với quy trình và yêu cầu của bạn.

Năng lực xử lý siêu âm theo mẻ và trực tiếp trên dây chuyền