تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية في الأحبار القابلة للطباعة بتقنية 3D
يمكن أن يؤدي التشتيت المنتظم للأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) في الأحبار القابلة للطباعة بتقنية 3D إلى تحسين خصائص الحبر وإتاحة تطبيقات جديدة في مجالات متنوعة. وتُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام مسبار تقنية تشتيت موثوقة للغاية لإنتاج معلقات نانوية مستقرة من الأنابيب النانوية الكربونية في البوليمرات.
تشتيت فعال ومستقر للأنابيب النانوية الكربونية في البوليمرات بفضل المعالجة بالموجات فوق الصوتية
غالبًا ما تُشتَّت الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) في زيوت السيليسيوم لتطبيقات متنوعة بفضل خصائصها الفريدة. ويمكن أن يؤدي تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية في زيوت السيليسيوم إلى تحسين الخصائص الميكانيكية والحرارية والكهربائية للمواد الناتجة. ومن هذه التطبيقات تصنيع بوليمرات مطعَّمة بالأنابيب النانوية الكربونية لإنتاج أحبار موصلة قابلة للطباعة بتقنية 3D، مثل الأحبار المستخدمة في التصنيع الإضافي القائم على مواد حيوية لإنتاج مستشعرات لمسية قابلة للارتداء، وسقالات لتجديد الأنسجة مخصصة لكل مريض، وأقطاب مرنة لتخطيط كهربية القلب (ECG) وتخطيط كهربية الدماغ (EEG).
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية المشتتة في زيوت السيليسيوم كأحبار موصلة في الأجهزة الإلكترونية، مثل الشاشات المرنة والمستشعرات. وتعمل الأنابيب النانوية الكربونية بوصفها مسارات موصلة تسمح بتدفق التيار الكهربائي.
نظام صناعي للموجات فوق الصوتية عالية القدرة للتشتيت الصناعي ضمن خط الإنتاج: تُعد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء أنظمة خلط موثوقة وعالية الكفاءة تعمل ضمن خط الإنتاج لإنتاج مشتتات نانوية، مثل الأنابيب النانوية الكربونية في البوليمرات.
مزايا تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية/البوليمرات بالموجات فوق الصوتية
تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية تشتيت عالية الكفاءة توفر فوائد متعددة. وتشمل مزايا تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) في البوليمرات بالموجات فوق الصوتية ما يلي:
نظام صناعي بالموجات فوق الصوتية لعمليات الإذابة ضمن خط الإنتاج، مثل التشتيت المنتظم للأنابيب النانوية الكربونية في تركيبات البوليمرات.
البروتوكول العام لإنتاج مركبات CNT/PDMS بالموجات فوق الصوتية
تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتشتيت العديد من المواد ذات الأبعاد النانوية في البوليمرات. ومن التطبيقات المحددة والشائعة تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) في ثنائي ميثيل بولي سيلوكسان (PDMS) باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية بواسطة مسبار. ولتشتيت الأنابيب النانوية الكربونية في مصفوفة PDMS، تُستخدم الموجات فوق الصوتية عالية القدرة وتأثيرات التجويف الصوتي الناتجة عنها لفك تشابك الأنابيب النانوية وخلطها بصورة منتظمة لتكوين معلق نانوي. وتُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام مسبار طريقة قوية لتشتيت الأنابيب النانوية الكربونية، بفضل قدرتها على توليد قوى تجويف شديدة يمكنها تفكيك الأنابيب النانوية الكربونية المتكتلة وتشتيتها بفعالية.
التشتيت بالموجات فوق الصوتية خطوة معالجة بسيطة لا تتطلب أي معالجة مسبقة أو لاحقة محددة. كما أن معدات الموجات فوق الصوتية نفسها آمنة وسهلة التشغيل.
تتضمن عملية التشتيت باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية بواسطة مسبار عادةً الخطوات التالية:
- تحضير مزيج CNT-PDMS: تُضاف كمية محددة مسبقًا من الأنابيب النانوية الكربونية إلى مصفوفة PDMS، ويُجرى خلط أولي باستخدام محرك ميكانيكي. ومن اللافت أن التشتيت المسبق للأنابيب النانوية الكربونية في مذيب يمكن أن يزيد الموصلية الكهربائية. وتُحقق أفضل النتائج باستخدام رباعي هيدرو الفوران (THF)، أو الأسيتون، أو الكلوروفورم (مرتبة بحسب أفضل النتائج).
- المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام مسبار: يُعرَّض المزيج للمعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام مسبار عالي الشدة يولد موجات فوق صوتية بتردد يبلغ عادةً نحو 20 kHz. وبحسب الحجم والتركيبة، تُجرى المعالجة بالموجات فوق الصوتية عادةً لعدة دقائق لضمان التشتيت الكامل للأنابيب النانوية الكربونية.
- مراقبة التشتيت: تُراقَب عملية تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية باستخدام تقنيات مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، أو المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، أو التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي (UV-Vis). ويمكن استخدام هذه التقنيات لإظهار توزيع الأنابيب النانوية الكربونية داخل مصفوفة PDMS والتأكد من تشتيتها بصورة منتظمة.
خلاصةً، تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام مسبار طريقة قوية لتشتيت الأنابيب النانوية الكربونية في البوليمرات مثل PDMS، بفضل قدرتها على توليد قوى تجويف شديدة يمكنها تفكيك الأنابيب النانوية الكربونية المتكتلة وتشتيتها بفعالية.
دراسات حالة لتصنيع مركبات الأنابيب النانوية الكربونية/البوليمرات بالموجات فوق الصوتية
خضع تشتيت الأنابيب النانوية وغيرها من المواد النانوية القائمة على الكربون باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية بواسطة مسبار لأبحاث واسعة، ثم طُبِّق في الإنتاج الصناعي. وفيما يلي نعرض بعض الدراسات البحثية التي توضح الكفاءة الاستثنائية لتشتيت الأنابيب النانوية بالموجات فوق الصوتية.
تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية في PDMS بالموجات فوق الصوتية لإنتاج مستشعرات قابلة للارتداء
قارن Del Bosque وزملاؤه (2022) بين الطحن بثلاث أسطوانات والمعالجة بالموجات فوق الصوتية من حيث فعاليتهما في تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية. ويُظهر تحليل إجراء تشتيت الجسيمات النانوية في مصفوفة البوليمر أن تقنية المعالجة بالموجات فوق الصوتية توفر حساسية كهربائية أعلى مقارنة بالطحن بثلاث أسطوانات، نتيجة التجانس الأعلى في توزيع الأنابيب النانوية الكربونية الناجم عن قوى التجويف. وعند اختبار نسب تحميل مختلفة من الأنابيب النانوية الكربونية، وُجد أن عتبة الترابط التوصيلي لنظام CNT-PDMS، أي المحتوى الحرج من الأنابيب النانوية الكربونية الذي يصبح عنده النظام موصلًا للكهرباء، بلغت 0.4 wt% CNT. وشُتِّتت الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران (MWCNTs) بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400ST من Hielscher (انظر الصورة على اليسار)، عند دورات نبضية بقيمة 0.5 وسعة 50 % لمدة 2h. وتُظهر الصورة أدناه تأثيرات التشتيت بالموجات فوق الصوتية على امتداد زمن المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
استنادًا إلى هذا التحليل، اختيرت الظروف المثلى لتصنيع المستشعرات القابلة للارتداء عند 0.4 wt.% CNT باستخدام عملية معالجة بالموجات فوق الصوتية. وفي هذا الصدد، أظهر تحليل الاستجابة الكهربائية تحت دورات تحميل متتالية متانة عالية للمستشعرات المطورة، دون أي تلف عند انفعالات قدرها 2% و5% و10%، مما يجعل هذه المستشعرات موثوقة لمراقبة الانفعالات المتوسطة.
تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران (MWCNTs) في PDMS بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400St عند أزمنة معالجة مختلفة.
(الدراسة والصورة: ©del Bosque et al., 2022)
معدات تشتيت بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء للمركبات النانوية من الأنابيب النانوية الكربونية/البوليمرات
تصنع Hielscher Ultrasonics مسابير موجات فوق صوتية عالية القدرة لتطبيقات التشتيت المتطلبة في المختبر، وعلى المنضدة، وفي الصناعة. وتوفر أجهزة التشتيت من Hielscher Ultrasonics تجانسًا وتشتيتًا فعالين ودقيقين للمواد النانوية في المذيبات والبوليمرات والمواد المركبة.
وبفضل تقنيتها المتقدمة للموجات فوق الصوتية، توفر هذه الأجهزة حلًا سريعًا وسهلًا لتحقيق توزيع منتظم لأحجام الجسيمات، ومشتتات مستقرة، و/أو تعديل وظيفي للجسيمات النانوية.
ومن خلال تقليل وقت المعالجة وخفض استهلاك الطاقة إلى أدنى حد، يمكن لأجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية باستخدام مسبار تحسين الإنتاجية وخفض تكاليف التشغيل للشركات في مجموعة متنوعة من الصناعات.
ويمكن أيضًا تخصيص أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لتناسب متطلبات محددة، مع خيارات لمجموعة من أحجام المسابير، وأبواق تعزيز السعة، ومستويات القدرة، وخلايا التدفق، مما يجعلها متعددة الاستخدامات وقابلة للتكيف مع تركيبات نانوية وأحجام متنوعة.
وبوجه عام، تُعد أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية باستخدام مسبار استثمارًا ممتازًا للمختبرات والمنشآت الصناعية التي تسعى إلى تحسين سير عمل معالجة المواد النانوية وتحقيق نتائج متسقة وموثوقة.
التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صُنعت في ألمانيا
تشتهر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بأعلى معايير الجودة والتصميم. وتتيح المتانة وسهولة التشغيل دمج أجهزتنا بسلاسة في المنشآت الصناعية. وتتعامل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بصورة موثوقة مع الظروف القاسية والبيئات المتطلبة.
Hielscher Ultrasonics شركة حاصلة على شهادة ISO، وتولي اهتمامًا خاصًا بأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. وبالطبع، تتوافق أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مع CE وتلبي متطلبات UL وCSA وRoHs.
يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على سعة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 0.5 إلى 1.5mL | n.a. | VialTweeter | 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 إلى 150L | 3 إلى 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أعلى | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
تواصل معنا! / اسألنا!
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المختبري والتجريبي والصناعي.
مفاعل بالموجات فوق الصوتية يعمل على دفعات للمعالجة الصناعية، مثل دمج الأنابيب النانوية الكربونية وغيرها من الحشوات النانوية في البوليمرات لإنتاج أحبار قابلة للطباعة بتقنية 3D للتصنيع الإضافي.
المؤلفات / المراجع
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
- Kim, J., Hwang, JY., Hwang, H. et al. (2018): Simple and cost-effective method of highly conductive and elastic carbon nanotube/polydimethylsiloxane composite for wearable electronics. Scientific Reports 8, 1375 (2018).
- Lima, Márcio; Andrade, Mônica; Skákalová, Viera; Bergmann, Carlos; Roth, Siegmar (2007): Dynamic percolation of carbon nanotubes in liquid medium. Journal of Materials Chemistry 17, 2007. 4846-4853.
- Shar, A., Glass, P., Park, S. H., Joung, D. (2023): 3D Printable One-Part Carbon Nanotube-Elastomer Ink for Health Monitoring Applications. Advanced Functional Materials 33, 2023.
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء تتراوح أحجامها من الحجم المختبري إلى الحجم الصناعي.