Диспергиране на въглеродни нанотръби в мастила за 3D печат

Равномерното диспергиране на CNT в мастила за 3D печат може да подобри свойствата на мастилото и да позволи нови приложения в различни области. Ултразвуковата обработка със сонда е изключително надеждна техника за диспергиране, която позволява получаването на стабилни наносуспензии на CNT в полимери.

Ефективно и стабилно диспергиране на CNT в полимери чрез ултразвукова обработка

Въглеродните нанотръби (CNT) често се диспергират в силициеви масла за различни приложения поради уникалните си свойства. Диспергирането на CNT в силициеви масла може да подобри механичните, топлинните и електрическите свойства на получените материали. Едно такова приложение е производството на полимери с добавени CNT за проводими мастила за 3D печат, например за адитивното производство на биологична основа на носими тактилни сензори, специфични за пациента матрици за регенерация на тъкани и гъвкави електроди за ЕКГ и ЕЕГ.
Освен това 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, позволявайки протичането на електрически ток.

Предимства на ултразвуковото диспергиране на CNT в полимери

Ултразвуковата обработка е много ефективна техника за диспергиране, която предлага редица предимства. Предимствата на ултразвуковото диспергиране на въглеродни нанотръби (CNT) в полимери включват:

Общ протокол за ултразвуково производство на композити CNT/PDMS

Ултразвуковата обработка се използва за диспергиране на множество материали с наноразмери в полимери. Конкретно и често използвано приложение е диспергирането на въглеродни нанотръби (CNT) в диметилполисилоксан (PDMS) чрез ултразвукова обработка със сонда. За диспергирането на CNT в матрицата от PDMS се използват мощен ултразвук и произтичащите от него ефекти на акустичната кавитация, за да се разплетат нанотръбите и да се смесят равномерно в наносуспензия. Ултразвуковата обработка със сонда е мощен метод за диспергиране на CNT поради способността си да генерира интензивни кавитационни сили, които могат ефективно да разрушават и диспергират 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 диспергиране чрез ултразвукова обработка със сонда обикновено включва следните стъпки:

1. Приготвяне на сместа CNT-PDMS: Предварително определено количество CNT се добавя към матрицата от PDMS и се смесва предварително с механична бъркалка. Интересно е, че чрез предварително диспергиране на CNT в разтворител електропроводимостта би могла да се увеличи. Най-добри резултати се постигат с тетрахидрофуран (THF), ацетон или хлороформ (подредени от най-добрите резултати надолу).
2. Ултразвукова обработка със сонда: Сместа се подлага на ултразвукова обработка със сонда с помощта на ултразвукова сонда с висока интензивност, която генерира ултразвукови вълни с честота обикновено около 20 kHz. В зависимост от обема и състава ултразвуковата обработка обикновено се извършва в продължение на няколко минути, за да се осигури пълно диспергиране на CNT.
3. Наблюдение на диспергирането: Диспергирането на CNT се наблюдава чрез 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 матрицата от PDMS и за проверка дали CNT са равномерно диспергирани.

В обобщение, ултразвуковата обработка със сонда е мощен метод за диспергиране на CNT в полимери като PDMS поради способността си да генерира интензивни кавитационни сили, които могат ефективно да разрушават и диспергират агломерирани CNT.

Изследвания на случаи на ултразвуково производство на композити CNT/полимер

Диспергирането на нанотръби и други наноматериали на въглеродна основа чрез ултразвукова обработка със сонда е подробно изследвано и впоследствие внедрено в промишленото производство. По-долу представяме няколко научни изследвания, които демонстрират изключителната ефективност на ултразвуковото диспергиране на нанотръби.

Ултразвуково диспергиране на CNT в PDMS за носими сензори

Del Bosque et al. (2022) сравняват смилането с тривалцова мелница и ултразвуковата обработка по отношение на ефективността им при диспергиране на CNT. Анализът на процедурата за диспергиране на наночастици в полимерната матрица показва, че техниката на ултразвукова обработка осигурява по-висока електрическа чувствителност в сравнение със смилането с тривалцова мелница поради по-високата хомогенност на разпределението на CNT, предизвикана от кавитационните сили. При изпитване на различни съдържания на CNT е установено, че прагът на перколация на системата CNT-PDMS, тоест критичното съдържание на CNT, при което тя става електропроводима, е 0,4 wt% CNT. Многостенни въглеродни нанотръби (MWCNT) са диспергирани чрез ултразвукова обработка с ултразвуковия апарат на Hielscher UP400St (вижте изображението вляво) при импулсни цикли 0,5 и амплитуда 50 % в продължение на 2h. Ефектите на ултразвуковото диспергиране с течение на времето на ултразвукова обработка са показани на изображението по-долу.
Въз основа на този анализ като оптимални условия за производството на носимите сензори са избрани 0,4 wt.% CNT с прилагане на процес на ултразвукова обработка. В тази връзка анализът на електрическия отклик при последователни цикли на натоварване показва висока устойчивост на разработените сензори, без никакви признаци на повреда при деформация от 2%, 5% и 10%, което прави тези сензори надеждни за наблюдение на умерени деформации.

Ултразвуково диспергиране на MWCNT в PDMS с ултразвуковия апарат UP400St при различна продължителност на ултразвуковата обработка.
(Изследване и изображение: ©del Bosque et al., 2022)

Високопроизводително оборудване за ултразвуково диспергиране за нанокомпозити CNT/полимер

Hielscher Ultrasonics произвежда мощни ултразвукови сонди за приложения на диспергиране с високи изисквания в лабораторен и настолен мащаб и в промишлеността. Диспергаторите на Hielscher Ultrasonics осигуряват ефективно и прецизно хомогенизиране и диспергиране на наноматериали в разтворители, полимери и композити.
С усъвършенстваната си ултразвукова технология тези диспергатори предлагат бързо и лесно решение за постигане на равномерно разпределение на размерите на частиците, стабилни дисперсии и/или функционализиране на наночастици.
Чрез намаляване на времето за обработка и свеждане на потреблението на енергия до минимум ултразвуковите диспергатори със сонда могат да подобрят производителността и да намалят оперативните разходи на предприятията в различни отрасли.
Ултразвуковите апарати на Hielscher могат също да бъдат персонализирани според специфични изисквания, с възможности за избор на различни размери на сондите, бустерни рогове, нива на мощност и проточни клетки, което ги прави универсални и приспособими към различни наносъстави и обеми.
Като цяло ултразвуковите диспергатори със сонда са отлична инвестиция за лаборатории и промишлени предприятия, които се стремят да оптимизират работните си процеси за обработка на наноматериали и да постигнат постоянни и надеждни резултати.

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати на Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и проектиране. 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 работни среди.

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

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