Disperze uhlíkových nanotrubic ve 3D tisknutelných inkoustech

Rovnoměrná disperze CNT ve 3D tisknutelných inkoustech může zlepšit vlastnosti inkoustu a umožnit nové aplikace v různých oblastech. Sonikace pomocí ultrazvukové sondy je vysoce spolehlivá dispergační technika pro výrobu stabilních nanosuspenzí CNT v polymerech.

Účinná a stabilní disperze CNT v polymerech díky sonikaci

Uhlíkové nanotrubice (CNT) se díky svým jedinečným vlastnostem často dispergují v křemíkových olejích pro různé aplikace. Disperze CNT v křemíkových olejích může zlepšit mechanické, tepelné a elektrické vlastnosti výsledných materiálů. Jednou z takových aplikací je výroba polymerů dopovaných CNT pro vodivé 3D tisknutelné inkousty, např. pro biologicky založenou aditivní výrobu nositelných taktilních senzorů, pacientsky specifických skafoldů pro regeneraci tkání a flexibilních elektrod pro EKG a EEG.
Kromě toho lze CNT dispergované v křemíkových olejích používat jako vodivé inkousty v elektronických zařízeních, jako jsou flexibilní displeje a senzory. CNT působí jako vodivé dráhy, které umožňují průchod elektrického proudu.

Výhody ultrazvukové disperze CNT/polymer

Sonikace je velmi účinná dispergační technika, která přináší řadu výhod. Mezi výhody ultrazvukového dispergování uhlíkových nanotrubic (CNT) v polymerech patří:

Obecný protokol ultrazvukové výroby kompozitů CNT/PDMS

Sonikace se používá k dispergaci mnoha nanomateriálů v polymerech. Specifickou a běžně používanou aplikací je disperze uhlíkových nanotrubic (CNT) v dimethylpolysiloxanu (PDMS) pomocí sonikace ultrazvukovou sondou. Pro dispergaci CNT v matrici PDMS se využívá výkonový ultrazvuk a z něj vyplývající účinky akustické kavitace, které rozplétají nanotrubice a rovnoměrně je vmíchávají do nanosuspenze. Sonikace ultrazvukovou sondou je účinnou metodou dispergace CNT díky své schopnosti generovat intenzivní kavitační síly, které dokážou účinně rozrušit a dispergovat aglomerované CNT.
Ultrazvukové dispergování je jednoduchý krok zpracování, který nevyžaduje žádnou specifickou předúpravu ani následnou úpravu. Samotné ultrazvukové zařízení se obsluhuje bezpečně a snadno.
Proces disperze pomocí sonikace ultrazvukovou sondou obvykle zahrnuje následující kroky:

1. Příprava směsi CNT-PDMS: Předem stanovené množství CNT se přidá do matrice PDMS a předmíchá se pomocí mechanického míchadla. Zajímavé je, že předdispergováním CNT v rozpouštědle bylo možné zvýšit elektrickou vodivost. Nejlepších výsledků se dosahuje s tetrahydrofuranem (THF), acetonem nebo chloroformem (seřazeno podle nejlepších výsledků).
2. Sonikace ultrazvukovou sondou: Směs se podrobí sonikaci pomocí vysoce intenzivní ultrazvukové sondy, která generuje ultrazvukové vlny o frekvenci typicky přibl. 20 kHz. V závislosti na objemu a formulaci se sonikace obvykle provádí několik minut, aby byla zajištěna úplná disperze CNT.
3. Monitorování disperze: Disperze CNT se monitoruje pomocí technik, jako je rastrovací elektronová mikroskopie (SEM), transmisní elektronová mikroskopie (TEM) nebo UV-Vis spektroskopie. Tyto techniky lze použít k vizualizaci distribuce CNT v matrici PDMS a k ověření, že jsou CNT rovnoměrně dispergovány.

Stručně řečeno, sonikace ultrazvukovou sondou je účinnou metodou dispergace CNT v polymerech, jako je PDMS, díky své schopnosti generovat intenzivní kavitační síly, které dokážou účinně rozrušit a dispergovat aglomerované CNT.

Případové studie ultrazvukové výroby kompozitů CNT/polymer

Disperze nanotrubic a dalších uhlíkových nanomateriálů pomocí sonikace ultrazvukovou sondou byla rozsáhle zkoumána a následně zavedena do průmyslové výroby. Níže uvádíme několik výzkumných studií, které dokládají výjimečnou účinnost ultrazvukové disperze nanotrubic.

Ultrazvuková disperze CNT v PDMS pro nositelné senzory

Del Bosque et al. (2022) porovnali účinnost disperze CNT při mletí na tříválcovém mlýnu a při sonikaci. Analýza postupu dispergace nanočástic v polymerní matrici ukazuje, že technika sonikace poskytuje vyšší elektrickou citlivost ve srovnání s mletím na tříválcovém mlýnu díky vyšší homogenitě distribuce CNT vyvolané kavitačními silami. Při testování různých obsahů CNT byl perkolační práh systému CNT-PDMS, tj. kritický obsah CNT, při kterém se systém stává elektricky vodivým, stanoven na 0,4 wt% CNT. Vícestěnné uhlíkové nanotrubice (MWCNT) byly dispergovány sonikací pomocí sonikátoru Hielscher UP400ST (viz obrázek vlevo) při 0,5 pulzních cyklech a 50 % amplitudě po dobu 2h. Účinky ultrazvukového dispergování v průběhu doby sonikace jsou znázorněny na obrázku níže.
Na základě této analýzy byly jako optimální podmínky pro výrobu nositelných senzorů zvoleny 0,4 wt.% CNT s využitím procesu sonikace. V této souvislosti analýza elektrické odezvy při po sobě jdoucích zatěžovacích cyklech prokázala vysokou robustnost vyvinutých senzorů bez jakéhokoli poškození při deformaci 2%, 5% a 10%, díky čemuž jsou tyto senzory spolehlivé pro monitorování středních deformací.

Ultrazvuková disperze MWCNT v PDMS pomocí sonikátoru UP400St při různých dobách sonikace.
(Studie a obrázek: ©del Bosque et al., 2022)

Vysoce výkonná ultrazvuková dispergační zařízení pro nanokompozity CNT/polymer

Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové sondy pro náročné dispergační aplikace v laboratoři, v poloprovozním měřítku i v průmyslu. Dispergátory Hielscher Ultrasonics zajišťují účinnou a přesnou homogenizaci a disperzi nanomateriálů v rozpouštědlech, polymerech a kompozitech.
Díky své pokročilé ultrazvukové technologii nabízejí tyto dispergátory rychlé a snadné řešení pro dosažení rovnoměrné distribuce velikosti částic, stabilních disperzí a/nebo funkcionalizace nanočástic.
Zkrácením doby zpracování a minimalizací spotřeby energie mohou ultrazvukové sondové dispergátory zvýšit produktivitu a snížit provozní náklady podniků v nejrůznějších odvětvích.
Sonikátory Hielscher lze také přizpůsobit specifickým požadavkům, s možnostmi volby z řady velikostí sond, boosterů, výkonových úrovní a průtokových cel, díky čemuž jsou univerzální a přizpůsobitelné různým nanoformulacím a objemům.
Celkově jsou ultrazvukové sondové dispergátory vynikající investicí pro laboratoře a průmyslová odvětví, která chtějí optimalizovat své pracovní postupy zpracování nanomateriálů a dosahovat konzistentních a spolehlivých výsledků.

Návrh, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Sonikátory Hielscher jsou dobře známé svými nejvyššími standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují bezproblémovou integraci našich sonikátorů do průmyslových zařízení. Sonikátory Hielscher spolehlivě zvládají drsné podmínky a náročná prostředí.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné sonikátory se špičkovou technologií a uživatelskou přívětivostí. Sonikátory Hielscher samozřejmě splňují požadavky CE a vyhovují požadavkům UL, CSA a RoHs.

Níže uvedená tabulka Vám poskytne představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů: