Дисперсия на въглеродни нанотръби в мастила за 3D печат

Равномерната дисперсия на CNT в мастила за 3D печат може да подобри свойствата на мастилото и да даде възможност за нови приложения в различни области. Ултразвукът тип сонда е високонадеждна диспергираща техника за получаване на стабилни наносуспензии на CNT в полимери.

Ефективна и стабилна CNT дисперсия в полимери поради соникация

Въглеродните нанотръби (CNT) често се диспергират в силициеви масла за различни приложения поради техните уникални свойства. Дисперсията на CNT в силициеви масла може да подобри механичните, термичните и електрическите свойства на получените материали. Едно такова приложение е производството на легирани с CNT полимери за проводими мастила за 3D печат, например за адитивно производство на биологична основа на носими тактилни сензори, специфични за пациента скелета за регенерация на тъкани и гъвкави ЕКГ и ЕЕГ електроди.
В допълнение, CNT, диспергирани в силициеви масла, могат да се използват като проводими мастила в електронни устройства, като гъвкави дисплеи и сензори. CNT действат като проводими пътища, позволяващи протичането на електрически ток.

Предимства на ултразвуковата CNT/полимерна дисперсия

Ултразвукът е много ефективна техника за диспергиране, която идва с няколко предимства. Предимствата на ултразвуковото диспергиране на въглеродни нанотръби (CNT) в полимери включват:

Общ протокол за ултразвуково производство на композити CNT/PDMS

Ултразвукът се използва за дисперсия на множество наноразмерни материали в полимери. Специфично и често използвано приложение е дисперсията на въглеродни нанотръби (CNT) в диметилполисилоксан (PDMS) с помощта на ултразвук тип сонда. За да се диспергират CNT в PDMS матрицата, се използват мощен ултразвук и произтичащите от това ефекти на акустична кавитация, за да се разплитат нанотръбите и да се смесят равномерно в наносуспензия. Ултразвукът тип сонда е мощен метод за диспергиране на CNT поради способността му да генерира интензивни кавитационни сили, които могат ефективно да разбият и разпръснат агломерирани CNT.
Ултразвуковото диспергиране е проста стъпка на обработка, която не изисква специфична предварителна или последваща обработка. Самото ултразвуково оборудване е безопасно и лесно за работа.
Процесът на дисперсия с помощта на ултразвук тип сонда обикновено включва следните стъпки:

1. Приготвяне на сместа CNT-PDMS: Предварително определено количество CNT се добавя към PDMS матрицата и се смесва предварително с помощта на механична бъркалка. Интересното е, че чрез предварително диспергиране на CNT в разтворител може да се увеличи електрическата проводимост. Най-добри резултати се постигат чрез тетрахидрофуран (THF), ацетон или хлороформ (сортирани по най-добри резултати).
2. Ултразвук тип сонда: Сместа се подлага на ултразвукова сонда с помощта на ултразвукова сонда с висок интензитет, която генерира ултразвукови вълни с честота обикновено около 20 kHz. В зависимост от обема и формулировката, ултразвукът обикновено се извършва за няколко минути, за да се осигури пълно разпръскване на CNT.
3. Наблюдение на дисперсията: Дисперсията на CNT се наблюдава с помощта на техники като сканираща електронна микроскопия (SEM), трансмисионна електронна микроскопия (TEM) или UV-Vis спектроскопия. Тези техники могат да се използват за визуализиране на разпределението на CNT в PDMS матрицата и за гарантиране, че CNT са равномерно разпръснати.

В обобщение, сондирането е мощен метод за диспергиране на CNT в полимери като PDMS поради способността му да генерира интензивни кавитационни сили, които могат ефективно да разбият и разпръснат агломерирани CNT.

Казуси от ултразвуковото производство на CNT/полимерни композити

Дисперсията на нанотръби и други наноматериали на въглеродна основа с помощта на ултразвук от сонден тип е широко изследвана и впоследствие е внедрена в промишленото производство. По-долу представяме няколко изследвания, които демонстрират изключителната ефективност на ултразвуковата дисперсия на нанотръбите.

Ултразвукова дисперсия на CNT в PDMS за носими сензори

Del Bosque et al. (2022) сравняват фрезоване с три валца и ултразвук за тяхната ефективност на CNT дисперсия. Анализът на процедурата за диспергиране на наночастици в полимерната матрица показва, че ултразвуковата техника осигурява по-висока електрическа чувствителност в сравнение с тривалковото фрезоване поради по-високата хомогенност на разпределението на CNT, индуцирано от кавитационните сили. При тестване на различни натоварвания на CNT, прагът на филтриране на системата CNT-PDMS, т.е. критичното съдържание на CNT, при което тя става електропроводима, беше установено, че е 0,4 тегловни % CNT. Многостенните въглеродни нанотръби (MWCNT) са диспергирани чрез ултразвук с помощта на ултразвуковия UP400ST на Hielscher (вж. снимката вляво) при 0,5 импулсни цикъла и 50 % амплитуда за 2 часа. Ефектите от ултразвуковото диспергиране по време на ултразвука са показани на снимката по-долу.
Въз основа на този анализ оптималните условия за производство на сензорите за носене са избрани като 0,4 тегловни % CNT чрез процес на ултразвукова обработка. В тази връзка анализът на електрическата реакция при последователни цикли на натоварване показа висока здравина на разработените сензори, без наличие на повреди при деформация от 2%, 5% и 10%, което прави тези сензори надеждни за наблюдение на средното напрежение.

Ултразвукова дисперсия на MWCNT в PDMS с помощта на ултразвуков апарат UP400St при различни времена на ултразвук.
(Проучване и изображение: ©del Bosque et al., 2022)

Високопроизводително ултразвуково диспергиращо оборудване за CNT/полимерни нанокомпозити

Hielscher Ultrasonics произвежда високомощни ултразвукови сонди за взискателни приложения за диспергиране в лаборатории, настолни и индустриални приложения. Ултразвуковите дисперсьори на Hielscher осигуряват ефективна и прецизна хомогенизация и диспергиране на наноматериали в разтворители, полимери и композити.
Със своята усъвършенствана ултразвукова технология тези диспергатори предлагат бързо и лесно решение за постигане на равномерно разпределение на размера на частиците, стабилни дисперсии и/или функционализация на наночастиците.
Чрез намаляване на времето за обработка и минимизиране на консумацията на енергия, ултразвуковите сондни диспергатори могат да подобрят производителността и да намалят оперативните разходи за бизнеса в различни индустрии.
Ултразвуковите апарати Hielscher също могат да бъдат персонализирани, за да отговарят на специфични изисквания, с опции за набор от размери на сонди, усилващи клаксони, нива на мощност и поточни клетки, което ги прави гъвкави и адаптивни към различни наноформулировки и обеми.
Като цяло ултразвуковите сондни диспергатори са отлична инвестиция за лаборатории и индустрии, които искат да оптимизират своите работни процеси за обработка на наноматериали и да постигнат последователни, надеждни резултати.

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати на Hielscher се справят надеждно с тежки условия и взискателни условия.

Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови уреди, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са съвместими с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: