Dispergering af kulstofnanorør i blæk til 3D-print

En ensartet dispergering af CNT’er i blæk til 3D-print kan forbedre blækkets egenskaber og muliggøre nye anvendelser inden for forskellige områder. Sonikering med en ultralydssonde er en yderst pålidelig dispergeringsteknik til fremstilling af stabile nanosuspensioner af CNT’er i polymerer.

Effektiv og stabil dispergering af CNT’er i polymerer ved hjælp af sonikering

Kulstofnanorør (CNT’er) dispergeres ofte i siliciumolier til forskellige anvendelser på grund af deres unikke egenskaber. Dispergering af CNT’er i siliciumolier kan forbedre de resulterende materialers mekaniske, termiske og elektriske egenskaber. En sådan anvendelse er fremstilling af CNT-dopede polymerer til elektrisk ledende blæk til 3D-print, f.eks. til biobaseret additiv fremstilling af kropsbårne taktile sensorer, patientspecifikke stilladser til vævsregenerering og fleksible EKG- og EEG-elektroder.
Desuden kan CNT’er dispergeret i siliciumolier bruges som elektrisk ledende blæk i elektroniske enheder såsom fleksible skærme og sensorer. CNT’erne fungerer som ledende baner, der muliggør gennemstrømning af elektrisk strøm.

Fordele ved ultralydsdispergering af CNT’er i polymerer

Sonikering er en meget effektiv dispergeringsteknik, som har flere fordele. Fordelene ved ultralydsdispergering af kulstofnanorør (CNT’er) i polymerer omfatter:

Generel protokol for fremstilling af CNT/PDMS-kompositter ved hjælp af ultralyd

Sonikering bruges til dispergering af talrige materialer i nanostørrelse i polymerer. En specifik og almindeligt anvendt metode er dispergering af kulstofnanorør (CNT’er) i dimethylpolysiloxan (PDMS) ved hjælp af sonikering med en ultralydssonde. For at dispergere CNT’er i PDMS-matricen bruges effektultralyd og de deraf følgende virkninger af akustisk kavitation til at løsne de sammenfiltrede nanorør og blande dem ensartet til en nanosuspension. Sonikering med en ultralydssonde er en effektiv metode til dispergering af CNT’er på grund af dens evne til at generere intense kavitationskræfter, der effektivt kan bryde agglomererede CNT’er op og dispergere dem.
Ultralydsdispergering er et enkelt behandlingstrin, der ikke kræver nogen specifik for- eller efterbehandling. Selve ultralydsudstyret er sikkert og nemt at betjene.
Dispergeringsprocessen ved hjælp af sonikering med en ultralydssonde omfatter typisk følgende trin:

1. Klargøring af CNT-PDMS-blandingen: En forudbestemt mængde CNT’er tilsættes til PDMS-matricen og forblandes ved hjælp af en mekanisk omrører. Interessant nok kunne den elektriske ledningsevne øges ved at fordispergere CNT’er i et opløsningsmiddel. De bedste resultater opnås med tetrahydrofuran (THF), acetone eller chloroform (rangeret efter de bedste resultater).
2. Sonikering med en ultralydssonde: Blandingen udsættes for sonikering med en højintensiv ultralydssonde, der genererer ultralydsbølger med en frekvens på typisk ca. 20 kHz. Afhængigt af volumen og formulering udføres sonikeringen typisk i flere minutter for at sikre fuldstændig dispergering af CNT’erne.
3. Overvågning af dispergeringen: Dispergeringen af CNT’erne overvåges ved hjælp af teknikker såsom scanningelektronmikroskopi (SEM), transmissionselektronmikroskopi (TEM) eller UV-Vis-spektroskopi. Disse teknikker kan bruges til at visualisere fordelingen af CNT’er i PDMS-matricen og til at sikre, at CNT’erne er ensartet dispergeret.

Sammenfattende er sonikering med en ultralydssonde en effektiv metode til dispergering af CNT’er i polymerer såsom PDMS på grund af dens evne til at generere intense kavitationskræfter, der effektivt kan bryde agglomererede CNT’er op og dispergere dem.

Casestudier af fremstilling af CNT/polymer-kompositter ved hjælp af ultralyd

Dispergering af nanorør og andre kulstofbaserede nanomaterialer ved hjælp af sonikering med en ultralydssonde er blevet undersøgt grundigt og efterfølgende implementeret i industriel produktion. Nedenfor præsenterer vi nogle få forskningsstudier, der viser den usædvanligt høje effektivitet ved ultralydsdispergering af nanorør.

Ultralydsdispergering af CNT’er i PDMS til kropsbårne sensorer

Del Bosque et al. (2022) sammenlignede trevalsemaling og sonikering med hensyn til deres effektivitet ved dispergering af CNT’er. Analysen af fremgangsmåden til dispergering af nanopartikler i polymermatricen viser, at sonikeringsteknikken giver en højere elektrisk følsomhed sammenlignet med trevalsemaling på grund af den mere homogene CNT-fordeling, som kavitationskræfterne fremkalder. Ved afprøvning af forskellige CNT-indhold blev perkolationstærsklen for CNT-PDMS-systemet, dvs. det kritiske CNT-indhold, ved hvilket det bliver elektrisk ledende, fundet at være 0,4 wt% CNT. Flervæggede kulstofnanorør (MWCNT’er) blev dispergeret ved sonikering med Hielscher ultralydsapparatet UP400ST (se billedet til venstre) ved 0,5 pulscyklusser og 50 % amplitude i 2h. Virkningerne af ultralydsdispergering som funktion af sonikeringstiden vises på billedet nedenfor.
På baggrund af denne analyse blev 0,4 wt.% CNT ved anvendelse af en sonikeringsproces valgt som de optimale betingelser for fremstilling af de kropsbårne sensorer. I denne forbindelse viste en analyse af den elektriske respons under på hinanden følgende belastningscyklusser, at de udviklede sensorer var meget robuste, uden nogen tegn på skader ved 2%, 5% og 10% tøjning, hvilket gør disse sensorer pålidelige til overvågning af moderat tøjning.

Ultralydsdispergering af MWCNT’er i PDMS ved hjælp af ultralydsapparatet UP400St ved forskellige sonikeringstider.
(Studie og billede: ©del Bosque et al., 2022)

Højtydende ultralydsdispergeringsudstyr til CNT/polymer-nanokompositter

Hielscher Ultrasonics fremstiller ultralydssonder med høj effekt til krævende dispergeringsopgaver i laboratoriet, på laboratoriebordet og i industrien. Hielscher Ultrasonics dispergatorer sikrer effektiv og præcis homogenisering og dispergering af nanomaterialer i opløsningsmidler, polymerer og kompositter.
Med deres avancerede ultralydsteknologi tilbyder disse dispergatorer en hurtig og nem løsning til at opnå ensartet partikelstørrelsesfordeling, stabile dispersioner og/eller funktionalisering af nanopartikler.
Ved at reducere behandlingstiden og minimere energiforbruget kan dispergatorer med ultralydssonder forbedre produktiviteten og reducere driftsomkostningerne for virksomheder i en række forskellige brancher.
Hielscher ultralydsapparater kan også tilpasses specifikke krav med mulighed for forskellige sondestørrelser, boosterhorn, effektniveauer og flowceller, hvilket gør dem alsidige og mulige at tilpasse til forskellige nanoformuleringer og volumener.
Samlet set er dispergatorer med ultralydssonder en fremragende investering for laboratorier og industrier, der ønsker at optimere deres arbejdsgange til behandling af nanomaterialer og opnå ensartede, pålidelige resultater.

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydsapparater er kendt for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening gør det muligt at integrere vores ultralydsapparater problemfrit i industrielle anlæg. Hielscher ultralydsapparater håndterer pålideligt barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielscher ultralydsapparater er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene fra UL, CSA og RoHs.

Tabellen nedenfor giver en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: