Ultraschallgestützte Herstellung leitfähiger Tinten im großen Maßstab
- Gleichmäßig dispergierte Nanopartikel wie Silber, Graphen oder CNTs mit einer präzise abgestimmten Partikelgröße sind entscheidend für die Herstellung hochleitfähiger Tinten.
- Leistungsstarke Ultraschalldispergierer ermöglichen die Synthese, Deagglomeration und Verteilung metallischer (z. B. Ag) und kohlenstoffbasierter (z. B. CNTs, Graphen) Nanopartikel sowie von Nanokompositen mit hervorragender elektrischer Leitfähigkeit.
- Die Ultraschalldispergierer von Hielscher gewährleisten hochwertige Dispersionen und arbeiten dabei sehr effektiv, zuverlässig und kosteneffizient.
Ultraschalldispergierung leitfähiger Nanopartikel
Leitfähige Tinte besitzt – wie der Name schon sagt – elektrische Leitfähigkeit. Zur Herstellung leitfähiger Tinten und Beschichtungen müssen elektrisch leitende Komponenten (leitfähige Füllstoffe) sehr gleichmäßig in der Tintenbasis dispergiert werden. Nanopartikel wie Silber, Kupfer, CNTs, Graphen, Graphit, andere metallbeschichtete Partikel und Nanokomposite werden eingearbeitet, um eine hohe Leitfähigkeit zu erzielen.
Ultraschallprozessoren erzeugen äußerst starke Scherkräfte, mit denen Van-der-Waals-Kräfte und molekulare Bindungen überwunden werden können. Die Ultraschalldispergierung ist das bevorzugte Verfahren zum Dispergieren von Nanopartikeln, da die Beschallung eine sehr enge Korngrößenverteilung, eine hohe Funktionalität der Partikel und reproduzierbare Ergebnisse ermöglicht.
Ultraschall-Batchreaktor zur Dispergierung von Nanomaterialien in leitfähigen Tinten.
- Nanosilbertinten
- Graphentinten (mit sehr hohen Graphengehalten)
- Kupfertinten (Nanodrähte und Nanopartikel)
- CNT-Tinten
- SWNT-Tinten
- Nanogoldtinten
- vielfältigen Nanokompositen
- 3D-druckbaren Tinten
- elektrisch leitfähigen Klebstoffen (ECAs)
Ultraschalldispergierung dielektrischer Nanopartikel
Um einem Verbundwerkstoff isolierende Eigenschaften zu verleihen, müssen dielektrische Partikel wie SiO2, ZnO und Aluminiumoxid-Epoxidharz-Nanokomposite sowie weitere Materialien homogen als Einzelpartikel in der Matrix dispergiert werden. Die Ultraschalldispergierung stellt sicher, dass Agglomerate aufgebrochen werden, sodass die Nanopartikel gut dispergiert sind. Eine sehr enge Partikelverteilung ist entscheidend für eine zuverlässige dielektrische Funktion des Materials.
Hielscher-Hochleistungsultraschallgeräte für Nanodispersionen
Leistungsstarke Ultraschallsysteme gewährleisten die zuverlässige Dispergierung von Nanopartikeln – im Labor, mit Tischgeräten und bis hin zum industriellen Maßstab. Im Vergleich zu Systemen anderer Ultraschallanbieter können die Ultraschallsysteme von Hielscher sehr hohe Amplituden von bis zu 200µm liefern – im kontinuierlichen 24/7-Betrieb und mit einfachen Sonotrodenformen. Wenn eine Anwendung noch höhere Amplituden und/oder sehr hohe Temperaturen erfordert, bietet Hielscher kundenspezifische Ultraschallsonotroden an, die Amplituden von mehr als 200µm liefern und in sehr heißen Umgebungen eingesetzt werden können (z. B. zur Beschallung von Metallschmelzen). Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher erfüllt industrielle Standards. Alle unsere Geräte sind für den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen ausgelegt.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 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. | höher | Verbund aus mehreren UIP16000 |
- maßgeschneiderte Partikelgröße
- hohe Leitfähigkeit
- hohe Partikelgehalte
- niedrige bis hohe Viskositäten
- Prozesskontrolle
- einfache Verarbeitung
- schnell
- kosteneffizient
Industrieller Ultraschallprozessor UIP16000 (16kW) zur Herstellung leitfähiger Tinten
Literatur / Quellen
- 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.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
- Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.
Wissenswertes
Elektrisch leitfähige Nanopartikel
Nanopartikel (NPs) bieten einzigartige Materialeigenschaften, die sich drastisch von den Eigenschaften des entsprechenden Volumenmaterials unterscheiden können. Nanomaterialien kommen in vielfältigen Formen vor. Sie können ein extrem hohes Aspektverhältnis von 1:1.000.000 (z. B. Nanoröhren) oder eine vollkommen kugelförmige Gestalt aufweisen. Neben Röhren und Kugeln treten Nanopartikel auch in Form von Stäbchen, Drähten, Whiskern, Nanoblumen, Fasern, Plättchen und Punkten auf.
Größe und Form von Nanopartikeln spielen eine wichtige Rolle für die Eigenschaften der NPs, etwa Zugfestigkeit, Flexibilität sowie thermomechanische, leitfähige, dielektrische, magnetische und optische Eigenschaften. Um Verbundwerkstoffen diese Funktionalitäten zu verleihen, müssen NPs gleichmäßig in der Matrix dispergiert und mit ihr vermischt werden. Um eine derart hochwertige Dispersion zu erzielen, ist die Ultraschallbehandlung das bevorzugte Dispergierverfahren.
Elektrisch leitfähige Nanopartikel werden häufig eingesetzt, um Tinten und Beschichtungen elektrische Leitfähigkeit zu verleihen. Nanosilber (Nano-Ag) ist einer der am häufigsten verwendeten Nanofüllstoffe in leitfähigen Tinten. Leitfähige Tinten auf Silberbasis können als wasserbasierte, siebdruckfähige Tinten formuliert werden, die flexibel und knickbeständig sind.
Leitfähige Tinten
Leitfähige Tinten sind leitfähige Polymere (Polyanilin, Polythiophen oder Polypyrrole usw.), die durch Tintenstrahldruck, Rotationsbeschichtung usw. aufgetragen werden können. Gängige elektrisch leitfähige Tinten lassen sich anhand ihrer leitfähigen Komponenten in drei Kategorien einteilen: Edelmetalle, leitfähige Polymere oder Kohlenstoffnanomaterialien. Leitfähige Tinten haben ein breites Anwendungsspektrum und werden bei der Herstellung von Elektronik, Verpackungen (PET- und Kunststofffolien), Sensoren, Antennen, RFID-Tags und -Etiketten, Touchscreens, OLED-Displays, gedruckten Heizelementen und vielem mehr eingesetzt.
PEDOT:PSS [Poly(3,4-ethylendioxythiophen) Poly(styrolsulfonat)] ist eines der am häufigsten verwendeten leitfähigen Polymere und bietet neben seiner hohen Leitfähigkeit ein transparentes Erscheinungsbild. Durch die Zugabe eines Netzwerks aus Kohlenstoffnanoröhren, Silbernanodrähten und/oder Graphen lässt sich die Leitfähigkeit von PEDOT:PSS deutlich erhöhen. Modifizierte PEDOT:PSS-Tinten und -Formulierungen sind für verschiedene Beschichtungs- und Druckverfahren erhältlich. Wasserbasierte PEDOT:PSS-Tinten werden hauptsächlich bei der Schlitzdüsenbeschichtung sowie im Flexo-, Tief- und Tintenstrahldruck eingesetzt.
Dielektrische Tinten
Dielektrische Tinten und Beschichtungen sind elektrisch nichtleitend und werden beim Siebdruck auf elektronischen Leiterplatten eingesetzt, um eine Isolierschicht zum Schutz und zur Verbesserung leitfähiger Materialien aufzubauen.
Dielektrische Nanopartikel werden eingesetzt, um Tinten, Pasten und Beschichtungen isolierende Eigenschaften zu verleihen.
Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungsultraschallhomogenisatoren vom Labormaßstab bis zum industriellen Maßstab.