Nanoledende klæbemidler til højtydende elektronik

Ultralydsdispergeringsapparater anvendes som en pålidelig blandings- og formalingsteknik i produktionen af højtydende klæbemidler til højtydende elektronik og nanoelektronik. Ved produktion af højtydende elektronik er der stor efterspørgsel efter klæbemidler såsom nanoledende klæbemidler. Sådanne højtydende klæbemidler anvendes f.eks. som alternative forbindelser og kan erstatte tin/bly-loddemetal.

Højtydende klæbemidler til højtydende elektronik

Til produktion af højtydende elektronik kræves klæbemidler med høj vedhæftning til metal og høj varmeledningsevne til termisk afkobling og isolering. Nanopartikler såsom sølv, nikkel, grafen, grafenoxid og kulstofnanorør (CNTs) inkorporeres ofte i epoxyharpikser og polymerer for at opnå de ønskede funktionelle egenskaber såsom elektrisk ledningsevne eller isolering, varmeledningsevne, trækstyrke, Youngs modul og fleksibilitet. Højtydende klæbemidler udviklet til højtydende elektronik anvender metalfyldstoffer (såsom nanopartikler af sølv, guld, nikkel eller kobber) til at give elektrisk ledningsevne. For at frigøre disse materialers ekstraordinære egenskaber skal deres størrelse reduceres til nanoskala. Da størrelsesreduktion og dispergering af nanopartikler er en udfordrende opgave, er en kraftfuld formalings- og dispergeringsteknologi afgørende for vellykkede klæbemiddelformuleringer.

Ultralydsdispergering giver forskellige fordele sammenlignet med traditionelle blandings- og formalingsteknikker. På grund af sin pålidelighed og effektivitet er sonikering blevet en etableret metode til behandling af nanomaterialer og findes i enhver industri, hvor nanopartikler syntetiseres og/eller inkorporeres i væsker. Sonikering er derfor den ideelle teknik til produktion af nanoledende klæbemidler, der indeholder nanofyldstoffer såsom nanopartikler, nanotråde eller kulstofnanorør og grafenmonolag (nanoark).
ECA’er: Et fremtrædende eksempel er formulering af elektrisk ledende klæbemidler (ECA’er), som er kompositter bestående af en polymermatrix og elektrisk ledende fyldstoffer. For at formulere et højtydende klæbemiddel til elektroniske anvendelser skal en polymerharpiks (f.eks. epoxy, silikone, polyimid) give fysiske og mekaniske funktionelle egenskaber såsom vedhæftning, mekanisk styrke og slagstyrke, mens metalfyldstoffet (f.eks. nanosølv, nanoguld, nanonikkel eller nanokobber) skaber overlegen elektrisk ledningsevne. Til klæbemidler med isolerende egenskaber inkorporeres mineralbaserede fyldstoffer i klæbemiddelkompositten.

Før og efter sonikering: Den grønne kurve viser partikelstørrelsen før sonikering, og den røde kurve viser partikelstørrelsesfordelingen af ultralydsdispergeret silica.

Ultralydsdispergering af nanomaterialer i viskøse klæbemidler

Ultralydshomogenisatorer er meget effektive, når partikelagglomerater, aggregater og endda primærpartikler skal reduceres pålideligt i størrelse. Fordelen ved ultralydsblandere er deres evne til at formale partikler til mindre og mere ensartede partikelstørrelser, uanset om det ønskede procesresultat er mikrometer- eller nanopartikler. Mens andre teknologier såsom blad- eller rotor-stator-blandere, højtrykshomogenisatorer, perlemøller osv. har ulemper såsom manglende evne til at fremstille ensartet små nanopartikler, kontaminering fra formalingsmedier, tilstoppede dyser og højt energiforbrug, anvender ultralydsdispergeringsapparater akustisk kavitation som arbejdsprincip. Ultralydsgenereret kavitation har vist sig at være yderst effektiv, energieffektiv og i stand til at dispergere selv højviskøse materialer såsom nanopartikelholdige pastaer.

Hvordan fungerer ultralydsdispergering?

Kavitationsbetingede forskydningskræfter og væskestrømme accelererer partikler, så de kolliderer med hinanden. Dette kaldes interpartikulær kollision. Partiklerne selv fungerer som formalingsmedium, hvilket undgår kontaminering fra formalingsperler og den efterfølgende separationsproces, som er nødvendig ved brug af konventionelle perlemøller. Da partiklerne knuses ved interpartikulær kollision ved meget høje hastigheder på op til 280m/sec, udsættes partiklerne for ekstraordinært store kræfter og brydes derfor i meget små fragmenter. Friktion og erosion giver disse partikelfragmenter en poleret overflade og en ensartet form. Kombinationen af forskydningskræfter og interpartikulær kollision giver ultralydshomogenisering og -dispergering en fordel ved at levere yderst homogene kolloide suspensioner og dispersioner!
En anden fordel ved de store forskydningskræfter, som ultralyd genererer, er den forskydningsfortyndende effekt. For eksempel udviser ultralydsfremstillede epoxyharpikser fyldt med oxiderede CNTs forskydningsfortyndende adfærd. Da forskydningsfortynding midlertidigt sænker væskens viskositet, lettes behandlingen af viskøse kompositter.

En højhastighedssekvens (fra a til f) af billeder, der illustrerer sonomekanisk eksfoliering af en grafitflage i vand ved hjælp af UP200S, et 200W ultralydsapparat med en 3-mm sonotrode. Pilene viser spaltningsstedet (eksfoliering), hvor kavitationsbobler trænger ind i spalten.
(Undersøgelse og billeder:© Tyurnina et al. 2020)

Sammenligning af forskellige nanofyldstoffer dispergeret i hærder (sonikering–US): (a) 0,5 wt% kulstofnanofiber (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% kulstofnanorør (CNT); (d) 0,5 wt% delvist dispergeret CNT.
(Undersøgelse og billede: © Zanghellini et al., 2021)

Ultralydsapparater med høj effekt til formulering af højtydende klæbemidler

Hielscher Ultrasonics er specialist i højtydende ultralydsudstyr til behandling af væsker og opslæmninger. Ultralydsdispergeringsapparater gør det muligt at behandle højviskøse materialer såsom harpikser med højt fyldstofindhold og sikrer ensartet fordeling af nanomaterialer i kompositter.
Den præcise styring af ultralydsprocesparametre såsom amplitude, energitilførsel, temperatur, tryk og tid gør det muligt at skræddersy klæbemidler i nanometerområdet.
Uanset om din formulering kræver dispergering af organiske eller uorganiske nanofyldstoffer såsom nanorør, cellulosenanokrystaller (CNCs), nanofibre eller nanometaller, har Hielscher Ultrasonics den ideelle ultralydsopstilling til din klæbemiddelformulering.
De industrielle ultralydsprocessorer fra Hielscher Ultrasonics kan levere meget høje amplituder og er i stand til at deagglomerere og dispergere nanomaterialer selv ved meget høje viskositeter. Amplituder på op til 200µm kan uden problemer opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift.
Ultralydsapparater fra Hielscher er anerkendt for deres kvalitet, pålidelighed og robusthed. Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Ultralydsapparater fra Hielscher er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: