Disperze uhlíkových nanotrubic v 3D tisknutelných inkoustech
Rovnoměrná disperze CNT v 3D tisknutelných inkoustech může zlepšit vlastnosti inkoustu a umožnit nové aplikace v různých oblastech. Ultrazvuku typu sondy je vysoce spolehlivá dispergační technika pro výrobu stabilních nanosuspenzí CNT v polymerech.
Efektivní a stabilní disperze CNT v polymerech v důsledku sonikace
Uhlíkové nanotrubice (CNT) jsou díky svým jedinečným vlastnostem často dispergovány v silikonových olejích pro různé aplikace. Disperze CNT v silikonových olejích může zlepšit mechanické, tepelné a elektrické vlastnosti výsledných materiálů. Jednou z takových aplikací je výroba CNT dopovaných polymerů pro vodivé 3D tisknutelné inkousty, např. pro biologickou aditivní výrobu nositelných hmatových senzorů, nosičů pro regeneraci tkání specifických pro pacienta a flexibilních elektrod EKG a EEG.
Kromě toho lze CNT dispergované v silikonových olejích použít jako vodivé inkousty v elektronických zařízeních, jako jsou flexibilní displeje a senzory. CNT fungují jako vodivé cesty, které umožňují tok elektrického proudu.
Průmyslový výkonový ultrazvukový systém pro průmyslovou inline disperzi: Vysoce výkonné ultrazvukové systémy jsou spolehlivé a vysoce účinné inline míchací systémy pro výrobu nanodisperzí, jako jsou CNT v polymerech.
Výhody ultrazvukové disperze CNT / polymeru
Ultrazvuku je velmi účinná dispergační technika, která přichází s několika výhodami. Mezi výhody ultrazvukové dispergace uhlíkových nanotrubic (CNT) v polymerech patří:
Ultrazvukový průmyslový systém pro inline rozpouštěcí procesy, např. rovnoměrnou disperzi uhlíkových nanotrubiček do polymerních formulací.
Obecný protokol pro ultrazvukovou výrobu kompozitů CNT/PDMS
Ultrazvuku se používá pro disperzi mnoha nano-velkých materiálů v polymerech. Specifickou a běžně používanou aplikací je disperze uhlíkových nanotrubic (CNT) v dimethylpolysiloxanu (PDMS) pomocí sonikace typu sondy. Aby se CNT rozptýlily do PDMS matrice, používá se výkonový ultrazvuk a výsledné efekty akustické kavitace k rozpletení nanotrubic a jejich rovnoměrnému promíchání do nanosuspenze. Sonikace typu sondy je výkonná metoda pro dispergaci CNT díky své schopnosti generovat intenzivní kavitační síly, které mohou účinně rozbít a rozptýlit aglomerované CNT.
Ultrazvuková dispergace je jednoduchý krok zpracování, který nevyžaduje žádnou specifickou předúpravu ani následnou úpravu. Samotné ultrazvukové zařízení je bezpečné a snadno ovladatelné.
Proces disperze pomocí sonuterapie typu sondy obvykle zahrnuje následující kroky:
- Příprava směsi CNT-PDMS: Předem stanovené množství CNT se přidá do matice PDMS a předmíchá se pomocí mechanického míchadla. Zajímavé je, že předdispergací CNT v rozpouštědle by mohla být zvýšena elektrická vodivost. Nejlepších výsledků se dosahuje tetrahydrofuranem (THF), acetonem nebo chloroformem (seřazeno podle nejlepších výsledků).
- Sonikace typu sondy: Směs je podrobena sonikaci typu sondy pomocí ultrazvukové sondy s vysokou intenzitou, která generuje ultrazvukové vlny s frekvencí typicky cca. 20 kHz. V závislosti na objemu a formulaci se sonikace obvykle provádí několik minut, aby se zajistila úplná disperze CNT.
- Sledování disperze: Disperze CNT je sledována pomocí technik, jako je skenovací elektronová mikroskopie (SEM), transmisní elektronová mikroskopie (TEM) nebo UV-Vis spektroskopie. Tyto techniky lze použít k vizualizaci distribuce CNT v rámci matice PDMS a k zajištění rovnoměrného rozptýlení CNT.
Stručně řečeno, sonikace typu sondy je výkonná metoda pro dispergaci CNT v polymerech, jako je PDMS, díky své schopnosti generovat intenzivní kavitační síly, které mohou účinně rozbít a dispergovat aglomerované CNT.
Případové studie ultrazvukové výroby CNT/polymerních kompozitů
Disperze nanotrubic a dalších nanomateriálů na bázi uhlíku pomocí ultrazvuku sondového typu byla rozsáhle zkoumána a následně implementována do průmyslové výroby. Níže uvádíme několik výzkumných studií, které prokazují výjimečnou účinnost ultrazvukové disperze nanotrubic.
Ultrazvuková disperze CNT v PDMS pro nositelné senzory
Del Bosque et al. (2022) porovnávali tříválcové mletí a sonikaci z hlediska jejich účinnosti disperze CNT. Analýza postupu disperze nanočástic do polymerní matrice ukazuje, že technika ultrazvuku poskytuje vyšší elektrickou citlivost ve srovnání s tříválcovým frézováním v důsledku vyšší homogenity distribuce CNT indukované kavitačními silami. Při testování různých zatížení CNT bylo zjištěno, že prahová hodnota perkolace systému CNT-PDMS, tj. kritický obsah CNT, ve kterém se stává elektricky vodivým, je 0,4 hm% CNT. Vícestěnné uhlíkové nanotrubice (MWCNTs) byly dispergovány ultrazvukem pomocí Hielscher ultrasonicator UP400ST (viz obrázek vlevo) při 0,5 pulzních cyklech a 50% amplitudě po dobu 2 hodin. Účinky ultrazvukové dispergace v průběhu doby sonikace jsou znázorněny na obrázku níže.
Na základě této analýzy byly vybrány optimální podmínky pro výrobu nositelných senzorů jako 0,4 hm.% CNT pomocí ultrazvukového procesu. V tomto ohledu analýza elektrické odezvy při po sobě jdoucích zatěžovacích cyklech ukázala vysokou robustnost vyvinutých senzorů bez jakékoli přítomnosti poškození při 2%, 5% a 10% deformaci, díky čemuž jsou tyto senzory spolehlivé pro monitorování středního napětí.
Ultrazvuková disperze MWCNTs v PDMS pomocí ultrazvukového UP400St v různých časech ultrazvuku.
(Studie a obrázek: ©del Bosque et al., 2022)
Vysoce výkonné ultrazvukové dispergační zařízení pro CNT/polymerní nanokompozity
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové sondy pro náročné dispergační aplikace v laboratoři, stolní a průmysl. Hielscher Ultrazvukové dispergátory poskytují efektivní a přesnou homogenizaci a disperzi nanomateriálů v rozpouštědlech, polymerech a kompozitech.
Díky 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 dispergátory ultrazvukových sond zvýšit produktivitu a snížit provozní náklady podniků v různých průmyslových odvětvích.
Hielscher ultrasonicators lze také přizpůsobit tak, aby vyhovovaly specifickým požadavkům, s možnostmi pro řadu velikostí sond, posilovacích rohů, úrovní výkonu a průtokových buněk, což je činí univerzálními a přizpůsobitelnými různým nano-formulacím a objemům.
Celkově jsou ultrazvukové sondové dispergátory vynikající investicí pro laboratoře a průmyslová odvětví, která chtějí optimalizovat své pracovní postupy zpracování nanomateriálů a dosáhnout konzistentních a spolehlivých výsledků.
Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany
Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou spolehlivě zvládnuty Hielscher ultrasonikators.
Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 0Přibližně 5 až 1,5 ml | Není k dispozici | VialTweeter | 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
Ultrazvukový vsádkový reaktor pro průmyslové zpracování, např. začlenění CNT a dalších nanoplniv do polymerů pro 3D tisknutelné inkousty pro aditivní výrobu.
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.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.