Nanovodivá lepidla pro vysoce výkonnou elektroniku

Ultrazvukové dispergátory se používají jako spolehlivá technika míchání a mletí při výrobě vysoce výkonných lepidel pro vysoce výkonnou elektroniku a nanoelektroniku. Při výrobě vysoce výkonné elektroniky je vysoká poptávka po lepidlech, jako jsou nanovodivá lepidla. Taková vysoce výkonná lepidla se používají např. jako alternativní propojení a mohou nahradit pájku cín/olovo.

Vysoce výkonná lepidla pro vysoce výkonnou elektroniku

Pro výrobu vysoce výkonné elektroniky jsou zapotřebí lepidla s vysokou přilnavostí ke kovům a tepelnou vodivostí pro tepelné oddělení a izolaci. Nanočástice, jako je stříbro, nikl, grafen, oxid grafenu a uhlíkové nanotrubice (CNTs), se často začleňují do epoxidových pryskyřic a polymerů, aby se dosáhlo požadovaných funkčních vlastností, jako je elektrická vodivost nebo izolace, tepelná vodivost, pevnost v tahu, Youngův modul a ohebnost. Vysoce výkonná lepidla vyvinutá pro vysoce výkonnou elektroniku využívají kovová plniva (jako jsou nanočástice stříbra, zlata, niklu nebo mědi) k zajištění elektrické vodivosti. Aby bylo možné využít mimořádné vlastnosti těchto materiálů, musí být jejich velikost zmenšena do nanoměřítka. Protože zmenšování velikosti a dispergace nanočástic je náročný úkol, je výkonná technologie mletí a dispergace klíčem k úspěšným formulacím lepidel.

Ultrazvuková dispergace nabízí ve srovnání s tradičními technikami míchání a mletí řadu výhod. Díky své spolehlivosti a účinnosti se sonikace prosadila při zpracování nanomateriálů a lze ji nalézt v každém odvětví, kde se nanočástice syntetizují a/nebo začleňují do kapalin. Ultrasonikace je proto ideální technikou pro výrobu nanovodivých lepidel, která obsahují nanoplniva, jako jsou nanočástice, nanodráty nebo uhlíkové nanotrubice a grafenové monovrstvy (nanoplátky).
ECAs: Významným příkladem je formulace elektricky vodivých lepidel (ECAs), což jsou kompozity tvořené polymerní matricí a elektricky vodivými plnivy. Aby bylo možné formulovat vysoce výkonné lepidlo pro elektronické aplikace, musí polymerní pryskyřice (např. epoxid, silikon, polyimid) zajišťovat fyzikální a mechanické funkce, jako je adheze, mechanická pevnost a rázová pevnost, zatímco kovové plnivo (např. nanostříbro, nanozlato, nanonikl nebo nanoměď) vytváří vynikající elektrickou vodivost. U lepidel s izolačními vlastnostmi se do kompozitu lepidla začleňují plniva na minerální bázi.

Před sonikací a po ní: Zelená křivka ukazuje velikost částic před sonikací, červená křivka představuje distribuci velikosti částic ultrazvukem dispergovaného oxidu křemičitého.

Ultrazvuková dispergace nanomateriálů do viskózních lepidel

Ultrazvukové homogenizátory jsou velmi účinné, když je třeba spolehlivě zmenšit aglomeráty a agregáty částic, a dokonce i primární částice. Výhodou ultrazvukových míchačů je jejich schopnost rozemlít částice na menší a rovnoměrnější velikosti, ať už jsou cílovým výsledkem procesu mikročástice, nebo nanočástice. Zatímco jiné technologie, jako jsou lopatkové nebo rotor-statorové míchače, vysokotlaké homogenizátory, kuličkové mlýny atd., vykazují nevýhody, jako je neschopnost produkovat rovnoměrně malé nanočástice, kontaminace mlecími médii, ucpané trysky a vysoká spotřeba energie, ultrazvukové dispergátory využívají princip akustické kavitace. Bylo prokázáno, že kavitace generovaná ultrazvukem je vysoce účinná, energeticky efektivní a schopná dispergovat i vysoce viskózní materiály, jako jsou pasty s obsahem nanočástic.

Jak funguje ultrazvuková dispergace?

Kavitační smykové síly a proudy kapaliny urychlují částice tak, že se navzájem srážejí. Tento jev je známý jako mezičásticová srážka. Samotné částice působí jako mlecí médium, čímž se zabrání kontaminaci mlecími kuličkami a následnému separačnímu procesu, který je nezbytný při použití konvenčních kuličkových mlýnů. Protože se částice při mezičásticových srážkách tříští při velmi vysokých rychlostech až 280m/sec, působí na ně mimořádně vysoké síly, takže se rozpadají na nepatrné části. Tření a eroze dávají těmto fragmentům částic vyhlazený povrch a rovnoměrný tvar. Kombinace smykových sil a mezičásticových srážek dává ultrazvukové homogenizaci a dispergaci výhodnou převahu a poskytuje vysoce homogenní koloidní suspenze a disperze!
Další výhodou vysokých smykových sil generovaných ultrazvukem je efekt smykového ředění. Například ultrazvukem připravené epoxidové pryskyřice plněné oxidovanými CNTs vykazují smykové ředění. Protože smykové ředění dočasně snižuje viskozitu kapaliny, usnadňuje se zpracování viskózních kompozitů.

Vysokorychlostní sekvence snímků (od a do f) znázorňující sonomechanickou exfoliaci grafitové vločky ve vodě pomocí UP200S, 200W sonikátoru se 3mm sonotrodou. Šipky ukazují místo štěpení (exfoliace), kde do trhliny pronikají kavitační bubliny.
(Studie a snímky:© Tyurnina et al. 2020)

Porovnání různých nanoplniv dispergovaných v tvrdidle (ultrasonikace – US): (a) 0,5 wt% uhlíkových nanovláken (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% uhlíkových nanotrubic (CNT); (d) 0,5 wt% CNT, částečně dispergované.
(Studie a snímek: © Zanghellini et al., 2021)

Sonikátory s vysokým výkonem pro formulaci vysoce výkonných lepidel

Hielscher Ultrasonics je specialistou na vysoce výkonná ultrazvuková zařízení pro zpracování kapalin a suspenzí. Ultrazvukové dispergátory umožňují zpracovávat vysoce viskózní materiály, jako jsou vysoce plněné pryskyřice, a zajišťují rovnoměrnou distribuci nanomateriálů v kompozitech.
Přesné řízení ultrazvukových procesních parametrů, jako je amplituda, energetický vstup, teplota, tlak a čas, umožňuje přizpůsobit lepidla v nanometrovém rozsahu.
Ať už Vaše formulace vyžaduje dispergaci organických nebo anorganických nanoplniv, jako jsou nanotrubice, nanokrystaly celulózy (CNCs), nanovlákna nebo nanokovy, Hielscher Ultrasonics má ideální ultrazvukovou sestavu pro Vaši formulaci lepidla.
Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy a jsou schopny deaglomerovat a dispergovat nanomateriály i při velmi vysokých viskozitách. Amplitudy až 200µm lze snadno udržovat v nepřetržitém provozu 24/7.
Sonikátory Hielscher jsou uznávané pro svou kvalitu, spolehlivost a robustnost. Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné sonikátory s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Sonikátory Hielscher jsou samozřejmě ve shodě s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.
Níže uvedená tabulka poskytuje orientační přehled přibližné zpracovatelské kapacity našich sonikátorů: