Disperzija ugljičnih nanocijevi u 3D-printabilnim mastilima

Ujednačena disperzija CNT-ova u 3D-printabilnim mastilima može poboljšati svojstva mastila i omogućiti nove primjene u različitim oblastima. Ultrazvučna obrada sondom izuzetno je pouzdana tehnika disperzije za proizvodnju stabilnih nanosuspenzija CNT-ova u polimerima.

Efikasna i stabilna disperzija CNT-ova u polimerima zahvaljujući ultrazvučnoj obradi (sonikaciji)

Ugljične nanocijevi (CNT) se zbog svojih jedinstvenih svojstava često dispergiraju u silicijskim uljima za različite primjene. Disperzija CNT-ova u silicijskim uljima može poboljšati mehanička, toplinska i električna svojstva dobivenih materijala. Jedna od takvih primjena je izrada polimera dopiranih CNT-ovima za provodljiva 3D-printabilna mastila, npr. za aditivnu proizvodnju na biološkoj osnovi nosivih taktilnih senzora, skela za regeneraciju tkiva prilagođenih pacijentu te fleksibilnih EKG i EEG elektroda.
Osim toga, CNT-ovi dispergirani u silicijskim uljima mogu se koristiti kao provodljiva mastila u elektroničkim uređajima, kao što su fleksibilni displeji i senzori. CNT-ovi djeluju kao provodni putevi koji omogućavaju protok električne struje.

Dispergiranje ugljikovih nanocijevi (CNT) u polimerima tipična je primjena ultrazvučnih sondi poput UIP1000hdT. Ultrazvučni dispergatori osiguravaju ravnomjernu raspodjelu CNT-a u rastvaračima i polimerima, naprimjer za proizvodnju tinti za 3D štampanje.

Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji su pouzdani i vrlo efikasni inline sistemi za miješanje za proizvodnju nanodisperzija, npr. provodljivih 3D-printabilnih nanomastila za aditivnu proizvodnju.

Industrijski sistem snažnog ultrazvuka za industrijsku inline disperziju: visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji su pouzdani i vrlo efikasni inline sistemi za miješanje za proizvodnju nanodisperzija kao što su CNT-ovi u polimerima.

Prednosti ultrazvučne disperzije CNT-ova u polimerima

Ultrazvučna obrada je vrlo efikasna tehnika disperzije koja donosi nekoliko prednosti. Prednosti ultrazvučne disperzije ugljičnih nanocijevi (CNT) u polimerima uključuju:

Poboljšana disperzija: Ultrazvučna energija može učinkovito razbiti aglomerate CNT-ova i potaknuti njihovu ujednačenu disperziju u polimerima. To rezultira homogenom smjesom s poboljšanim mehaničkim svojstvima, električnom provodljivošću i toplinskom provodljivošću.

Precizna kontrola: Ultrazvučna energija omogućava bolju kontrolu procesa disperzije, kao što su stepen disperzije i veličina CNT-ova. To može pomoći u postizanju željenih svojstava dobivenog nanokompozitnog materijala.

Skraćeno vrijeme obrade: Ultrazvučna disperzija može znatno skratiti vrijeme obrade u poređenju s drugim metodama disperzije, kao što su magnetno miješanje ili ultrazvučna obrada bez zagrijavanja. To može poboljšati efikasnost i skalabilnost procesa.

Svestranost: Ultrazvučni dispergatori mogu obrađivati bilo koju vrstu nanočestica, uključujući nanosfere (npr. nano-silicij-dioksid), nanocijevi (SWNT, MWNT), nanolistove kao što su grafen ili borphene, funkcionalizirane nanomaterijale te nanočestice tipa jezgra–ljuska. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji mogu podnijeti visoka čvrsta opterećenja i kompatibilni su s bilo kojim otapalima i tekućinama.

Isplativost: Ultrazvučni dispergatori su relativno jeftina oprema za miješanje u poređenju s mlinovima i drugim tehnikama disperzije. Osim toga, ultrazvučni procesori su vrlo robusni, zahtijevaju vrlo malo održavanja i vrlo su energetski efikasni.

Šaržna i inline obrada: Ultrazvučna disperzija može se izvoditi u šaržnom ili kontinuiranom protočnom načinu rada.

Jednostavan rad: Ultrazvučne sonde jednostavne su i sigurne za rukovanje. Hielscher digitalni ultrazvučni uređaji su programabilni i mogu se daljinski upravljati. Automatsko bilježenje podataka pomaže u održavanju standarda kvaliteta.

Linearna skalabilnost: Procesi ultrazvučne disperzije mogu se potpuno linearno skalirati na bilo koju veličinu, što ultrazvučnu obradu čini ne samo vrlo efikasnom, nego i praktičnom metodom izrade za industrijsku proizvodnju.

Ekološka prihvatljivost: Ultrazvučna disperzija je zelena i ekološki prihvatljiva metoda koja omogućava izbjegavanje ili smanjenje upotrebe štetnih otapala ili hemikalija, što je čini sigurnijom i održivom opcijom za industrijske primjene.

Ultrazvučni industrijski sistem za inline procese otapanja, npr. ujednačena disperzija ugljičnih nanocijevi u polimerne formulacije.

U ovom videu prikazujemo ultrazvučni sistem snage 2 kilovata za rad u protočnom režimu u ormaru koji se može ispirati plinom. Hielscher isporučuje ultrazvučnu opremu za gotovo sve industrijske grane, poput hemijske, farmaceutske i kozmetičke industrije, za petrohemijske procese te za procese ekstrakcije pomoću rastvarača. Ovaj ormar od nehrđajućeg čelika, koji se može ispirati plinom, namijenjen je radu u eksplozijski opasnim područjima. U tu svrhu korisnik može ispirati zaptiveni ormar azotom ili svježim zrakom kako bi spriječio ulazak zapaljivih plinova ili para u ormar.

Opći protokol za ultrazvučnu proizvodnju CNT/PDMS kompozita

Ultrazvučna obrada koristi se za disperziju brojnih materijala nanometarskih dimenzija u polimerima. Specifična i često korištena primjena je disperzija ugljičnih nanocijevi (CNT) u dimetilpolisiloksanu (PDMS) pomoću ultrazvučne obrade sondom. Da bi se CNT-ovi dispergirali u PDMS matricu, koriste se snažni ultrazvuk i njegovi učinci akustične kavitacije kako bi se nanocijevi razmrsile i ujednačeno umiješale u nanosuspenziju. Ultrazvučna obrada sondom moćna je metoda za disperziju CNT-ova zbog svoje sposobnosti stvaranja intenzivnih kavitacijskih sila koje mogu učinkovito razbiti i dispergirati aglomerirane CNT-ove.
Ultrazvučna disperzija je jednostavan korak obrade koji ne zahtijeva posebnu prethodnu obradu niti naknadnu obradu. Sama ultrazvučna oprema je sigurna i laka za rukovanje.
Proces disperzije pomoću ultrazvučne obrade sondom obično obuhvata sljedeće korake:

Priprema CNT-PDMS smjese: Unaprijed određena količina CNT-ova dodaje se u PDMS matricu i prethodno se miješa mehaničkom miješalicom. Zanimljivo je da se prethodnom disperzijom CNT-ova u otapalu električna provodljivost može povećati. Najbolji rezultati postižu se tetrahidrofuranom (THF), acetonom ili hloroformom (poredano prema najboljim rezultatima).
Ultrazvučna obrada sondom: Smjesa se podvrgava ultrazvučnoj obradi sondom pomoću ultrazvučne sonde visokog intenziteta koja generira ultrazvučne valove frekvencije od tipično oko 20 kHz. Ovisno o volumenu i formulaciji, ultrazvučna obrada se obično provodi nekoliko minuta kako bi se osigurala potpuna disperzija CNT-ova.
Praćenje disperzije: Disperzija CNT-ova prati se tehnikama kao što su skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM), transmisiona elektronska mikroskopija (TEM) ili UV-Vis spektroskopija. Te se tehnike mogu koristiti za vizualizaciju raspodjele CNT-ova unutar PDMS matrice i za provjeru da su CNT-ovi ujednačeno dispergirani.

Ukratko, ultrazvučna obrada sondom moćna je metoda za disperziju CNT-ova u polimerima kao što je PDMS zbog svoje sposobnosti stvaranja intenzivnih kavitacijskih sila koje mogu učinkovito razbiti i dispergirati aglomerirane CNT-ove.

Ultrazvučni homogenizator za primjene disperzije i miješanja

Ultrazvučni homogenizator UIP1000hdT

Studije slučaja ultrazvučne izrade CNT/polimernih kompozita

Disperzija nanocijevi i drugih nanomaterijala na bazi ugljika pomoću ultrazvučne obrade sondom opsežno je istražena i potom implementirana u industrijsku proizvodnju. U nastavku predstavljamo nekoliko istraživačkih studija koje pokazuju izuzetnu efikasnost ultrazvučne disperzije nanocijevi.

Ultrazvučna disperzija CNT-ova u PDMS-u za nosive senzore

Del Bosque i saradnici (2022) uporedili su mljevenje na tri valjka i ultrazvučnu obradu prema njihovoj učinkovitosti disperzije CNT-ova. Analiza postupka disperzije nanočestica u polimernu matricu pokazuje da tehnika ultrazvučne obrade pruža višu električnu osjetljivost u poređenju s mljevenjem na tri valjka zbog veće homogenosti raspodjele CNT-ova izazvane kavitacijskim silama. Ispitivanjem različitih opterećenja CNT-ovima utvrđeno je da prag perkolacije sistema CNT-PDMS, odnosno kritični sadržaj CNT-ova pri kojem postaje električno provodljiv, iznosi 0,4 wt% CNT. Višeslojne ugljične nanocijevi (MWCNT) dispergirane su ultrazvučnom obradom pomoću Hielscher ultrazvučnog uređaja UP400ST (vidi sliku lijevo) pri 0,5 pulsnih ciklusa i amplitudi od 50 % tokom 2h. Učinci ultrazvučne disperzije tokom trajanja ultrazvučne obrade prikazani su na slici ispod.
Na osnovu ove analize, optimalni uvjeti za proizvodnju nosivih senzora odabrani su kao 0,4 wt.% CNT putem procesa ultrazvučne obrade. U tom pogledu, analiza električnog odziva pri uzastopnim ciklusima opterećenja pokazala je visoku robusnost razvijenih senzora, bez ikakvih oštećenja pri deformaciji od 2 %, 5 % i 10 %, što te senzore čini pouzdanim za praćenje srednjih deformacija.

Ultrazvučna disperzija ugljičnih nanocijevi vrlo je efikasna za ujednačenu raspodjelu nanocijevi u polimernim matricama kao što je dimetilpolisiloksan (PDMS)

Ultrazvučna disperzija MWCNT-ova u PDMS-u pomoću ultrazvučnog uređaja UP400St pri različitim vremenima ultrazvučne obrade.
(Studija i slika: ©del Bosque et al., 2022)

Visokoučinkovita oprema za ultrazvučnu disperziju za CNT/polimerne nanokompozite

Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne sonde velike snage za zahtjevne primjene disperzije u laboratoriju, na stolnoj skali i u industriji. Hielscher Ultrasonics dispergatori osiguravaju efikasnu i preciznu homogenizaciju i disperziju nanomaterijala u otapalima, polimerima i kompozitima.
Zahvaljujući naprednoj ultrazvučnoj tehnologiji, ovi dispergatori nude brzo i jednostavno rješenje za postizanje ujednačene raspodjele veličine čestica, stabilnih disperzija i/ili funkcionalizacije nanočestica.
Smanjenjem vremena obrade i minimiziranjem potrošnje energije, ultrazvučni dispergatori sa sondom mogu poboljšati produktivnost i smanjiti operativne troškove preduzeća u raznim industrijama.
Hielscher ultrazvučni uređaji mogu se prilagoditi i specifičnim zahtjevima, uz opcije za niz veličina sondi, booster sonotroda, nivoa snage i protočnih ćelija, što ih čini svestranim i prilagodljivim različitim nanoformulacijama i volumenima.
Ukupno gledano, ultrazvučni dispergatori sa sondom odlična su investicija za laboratorije i industrije koje žele optimizirati svoje procese obrade nanomaterijala i postići dosljedne, pouzdane rezultate.

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišem kvalitetu i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji pouzdano podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i poseban naglasak stavlja na visokoučinkovite ultrazvučne uređaje koji odlikuju najsavremenijom tehnologijom i jednostavnošću korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji su usklađeni s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Tabela ispod daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Volumen šarže	Protok	Preporučeni uređaji
0,5 do 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
15 do 150L	3 do 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	veći	klaster UIP16000

Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!

Ultrazvučno dispergiranje ugljikovih nanocijevi: Ultrazvučni uređaj Hielscher UP400S (400W) brzo i efikasno dispergira i razdvaja isprepletene ugljikove nanocijevi (CNT) u pojedinačne nanocijevi.

Ultrazvučni homogenizatori visokog smicanja koriste se u laboratorijskoj, stolnoj, pilot i industrijskoj obradi.

Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije na laboratorijskoj, pilot i industrijskoj skali.

Povezane teme

Industrijski reaktor za miješanje nanodisperzija pomoću ultrazvučnih sondi velike snage.

Ultrazvučni šaržni reaktor za industrijsku obradu, npr. za ugradnju CNT-ova i drugih nanopunila u polimere za 3D-printabilna mastila za aditivnu proizvodnju.

Literatura / Reference

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.

Visokoučinkovit ultrazvuk! Asortiman proizvoda kompanije Hielscher pokriva cijeli spektar, od kompaktnog laboratorijskog ultrazvučnog uređaja preko stolnih jedinica do potpuno industrijskih ultrazvučnih sistema.

Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijske do industrijske veličine.