Ultraschall-gestützte Produktion leitfähiger Tinten

  • Gleichmäßig dispergierte Nanopartikel wie Silber, Graphen oder CNTs mit einer genau abgestimmten Partikelgröße sind entscheidend für die Herstellung hochleitfähiger Tinten.
  • Leistungsstarke Ultraschalldispergatoren ermöglichen die Synthese, Desagglomeration und Dispersion von metallischen (z.B. Ag, Au), kohlenstoffbasierten (z.B. CNTs, Graphen) Nanopartikeln und Nanokompositen mit ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit.
  • Hielscher-Ultraschall-Dispergierer gewährleisten eine hohe Qualität der Dispersionen und sind dabei sehr effektiv, zuverlässig und kosteneffizient.

Ultraschalldispersion leitfähiger Nanopartikel

Leitende Tinte hat – wie der Name schon sagt – die Funktionalität der elektrischen Leitfähigkeit. Zur Herstellung leitfähiger Druckfarben und Beschichtungen müssen elektrisch leitende Komponenten (leitfähige Füllstoffe) sehr gleichmäßig in der Druckfarbenbasis verteilt werden. Für eine hohe Leitfähigkeit werden Nanopartikel wie Silber, Kupfer, CNTs, Graphen, Graphit, andere metallbeschichtete Partikel und Nanokomposite eingearbeitet.
Ultraschallprozessoren erzeugen extrem intensive Scherkräfte, durch die Van-der-Waals-Kräfte und molekulare Bindungen überwunden werden können. Die Ultraschalldispersion ist die bevorzugte Technik zur Dispergierung von Nanopartikeln, da die Beschallung eine sehr enge Korngrößenverteilung, hohe Partikelfunktionalitäten und reproduzierbare Ergebnisse ermöglicht.

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Ultraschall-Batch-Reaktor für die Dispersion von Nanomaterialien in leitfähigen Druckfarben.

Ultraschall-Batch-Reaktor für die Dispersion von Nanomaterialien in leitfähigen Druckfarben.

 

Das Video zeigt das Ultraschallmischen und Dispergieren von Graphit in 250 ml Epoxidharz (Toolcraft L) mit einem Ultraschallhomogenisator (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics stellt Geräte zum Dispergieren von Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Nanodrähten oder Füllstoffen im Labor oder in der Großserienproduktion her. Typische Anwendungen sind das Dispergieren von Nano- und Mikromaterialien während des Funktionalisierungsprozesses oder das Dispergieren in Harzen oder Polymeren.

Mischen von Epoxidharz mit Graphit-Füllstoff mit dem Ultraschallhomogenisator UP400St (400 Watt)

Video-Miniaturansicht

 

Ultraschallproduktion von:

Ultraschalldispersion von dielektrischen Nanopartikeln

Um einem Verbundwerkstoff isolierende Eigenschaften zu verleihen, müssen dielektrische Partikel wie SiO2, ZnO, Aluminiumoxid-Epoxid-Nanokomposite u. a. homogen als Einzelpartikel in der Matrix dispergiert werden. Die Ultraschalldispergierung sorgt dafür, dass Agglomerate aufgebrochen werden, so dass die Nanopartikel gut dispergiert sind. Eine sehr enge Partikelverteilung ist entscheidend, um eine zuverlässige dielektrische Funktion des Materials zu erreichen.

Hielscher-Hochleistungsultraschallgeräte für Nanodispersionen

Leistungsstarke Ultraschallsysteme der Hielscher Ultrasonics GmbH sorgen für eine zuverlässige Dispersion von Nanopartikeln – Im Vergleich zu anderen Anbietern sind Hielscher-Ultraschallsysteme in der Lage, sehr hohe Amplituden von bis zu 200µm zu liefern. – continuously run in 24/7 operation and with simple sonotrode shapes. If an application requires even higher amplitudes and/or very high temperatures, Hielscher offers customized ultrasonic sonotrodes, which can deliver amplitudes of >200µm and inserted into very hot environments (e.g. for sonication of metal melts). The robustness of Hielscher ultrasonic equipment fullfils industrial standards. All our equipment is built for 24/7 operation at heavy duty and in demanding environments.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Mit Ultraschall synthetisierte Nanofluide sind effiziente Kühlmittel und Wärmetauscherflüssigkeiten. Wärmeleitende Nanomaterialien erhöhen die Wärmeübertragung und die Wärmeableitungskapazität erheblich. Die Beschallung hat sich bei der Synthese und Funktionalisierung von wärmeleitenden Nanopartikeln sowie bei der Herstellung von stabilen, leistungsstarken Nanofluiden für Kühlanwendungen bewährt.

Dispergieren von CNTs in Polyethylenglykol (PEG) mit dem Ultraschallfinger UP400ST

Video-Miniaturansicht

Vorteile der Ultraschallherstellung von leitfähigen Druckfarben

  • Maßgeschneiderte Partikelgröße
  • Hohe Leitfähigkeit
  • Eine hohe Partikeldichte
  • Niedrige bis hohe Viskositäten
  • Präzise Prozesssteuerung
  • Einfache Verarbeitung
  • Schnell
  • Kosteneffizient
Hielscher's UIP16000 is a 16kW high-power ultrasonicator for the production of conductive inks, pastes and polymers. (Click to  enlarge!)

Industrieller Ultraschallprozessor UIP16000 (16kW) zur Herstellung leitfähiger Tinten


Literatur / Referenz



Wissenswertes

Elektrisch leitfähige Nanopartikel

Nanopartikel (NPs) bieten einzigartige Materialeigenschaften, die sich drastisch von den Eigenschaften größerer Partikel unterscheiden können. Nanomaterialien können in vielfältiger Form auftreten. Sie können bspw. ein extrem hohes Aspektverhältnis von 1: 1.000.000 (z.B. Nanoröhrchen) oder eine perfekt sherische Form aufweisen. Neben Tubes und Spheren können Nanopartikel auch die Form von Rods (Stäbchen), Wires (Drähten), Whiskern, Nanoflowers, Fasern, Flakes und Punkten haben.
Größe und Form der Nanopartikel spielen eine wichtige Rolle für deren Eigenschaften, wie z.B. deren Zugfestigkeit, Flexibilität, thermomechanische, leitfähige, dielektrische, magnetische und optische Eigenschaften. Um diese Funktionalitäten auf Verbundwerkstoffe zu übertragen, müssen NPs gleichmäßig in die Matrix dispergiert werden. Um eine solche qualitativ hochwertige Dispersion zu erhalten, ist Ultraschall die bevorzugte Dispergiertechnik.
Elektrisch leitfähige Nanopartikel sind stark verbreitet, um Tinten und Beschichtungen elektrische Leitfähigkeit zu verleihen. Nanosilber (Nano-Ag) ist einer der am häufigsten verwendeten Nanofüllstoffe in leitfähigen Tinten. Silberbasierte leitfähige Tinten können als wasserbasierte Siebdrucktinten formuliert werden, welche flexibel und knitterfrei sind.

Leitfähige Tinten

Leitfähige Tinten bestehen aus leitfähigen Polymeren (Polyanilin, Polythiophen oder Polypyrrole etc.), welche mittels Tintenstrahldruck, Spin-Coating etc. aufgetragen werden können. Leitfähige Tinten können entsprechend ihrer leitfähigen Komponenten in drei Kategorien unterteilt werden: Leitfähige Tinten basieren entweder auf Edelmetallen, leitfähigen Polymeren oder auf Kohlenstoff-Nanomaterialien. Leitfähige Tinten haben ein breites Anwendungsspektrum und werden bei der Herstellung von Elektronik, Verpackungen (PET und Kunststofffolien), Sensoren, Antennen, RFID-Etiketten / Labels, Touchscreens, OLED-Displays und vielen anderen Profdukten eingesetzt.
PEDOT:PSS [Poly(3,4-ethylendioxythiophen) poly (styrolsulfonat)] ist eines der am häufigsten verwendeten leitfähigen Polymere, welche neben einer hohen Leitfähigkeit auch eine transparentes Optik bieten. Durch die Zugabe eines Netzwerks aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Silber-Nanodrähten und / oder Graphen kann die Leitfähigkeit von PEDOT:PSS deutlich gesteigert werden. Modifizierte PEDOT:PSS-Tinten und -Formulierungen stehen für unterschiedliche Beschichtungs- und Druckverfahren zur Verfügung. Wasserbasierte PEDOT:PSS-Tinten werden vor allem für Schlitzdüsenbeschichtung, Flexografie, Tiefdruck und Inkjet-Print eingesetzt.

Dielektrische Tinten

Dielektrische Tinten und Beschichtungen sind elektrisch nicht leitend und werden im Siebdruck von elektronischen Leiterplatten verwendet, um eine Isolierschicht für den Schutz und die Verstärkung leitfähiger Materialien aufzubauen.
Dielektrische Nanopartikel werden dementsprechend eingesetzt, um Tinten, Pasten und Beschichtungen eine Isolierkapazität zu geben.


Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Bench-top-Homogenisatoren bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.


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