Dispersión de nanotubos de carbono en tintas imprimibles en 3D

Una dispersión uniforme de CNT en tintas imprimibles en 3D puede mejorar las propiedades de la tinta y permitir nuevas aplicaciones en diversos campos. La ultrasonicación con sonda es una técnica de dispersión muy fiable para producir nanosuspensiones estables de CNT en polímeros.

Dispersión eficaz y estable de CNT en polímeros gracias a la sonicación

Los nanotubos de carbono (CNT) suelen dispersarse en aceites de silicona para diversas aplicaciones debido a sus propiedades únicas. La dispersión de CNT en aceites de silicona puede mejorar las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas de los materiales resultantes. Una de estas aplicaciones es la fabricación de polímeros dopados con CNT para tintas conductoras imprimibles en 3D, por ejemplo, para la fabricación aditiva de base biológica de sensores táctiles portátiles, andamios de regeneración de tejidos específicos para pacientes y electrodos flexibles de ECG y EEG.
Además, los CNT dispersos en aceites de silicio pueden utilizarse como tintas conductoras en dispositivos electrónicos, como pantallas flexibles y sensores. Los CNT actúan como vías conductoras, permitiendo el flujo de corriente eléctrica.

Ventajas de la dispersión ultrasónica de CNT/polímeros

La ultrasonicación es una técnica de dispersión muy eficaz, que presenta varias ventajas. Entre las ventajas de la dispersión ultrasónica de nanotubos de carbono (CNT) en polímeros se incluyen:

Protocolo general para la producción por ultrasonidos de compuestos CNT/PDMS

La ultrasonicación se utiliza para la dispersión de numerosos materiales de tamaño nanométrico en polímeros. Una aplicación específica y comúnmente utilizada es la dispersión de nanotubos de carbono (CNT) en dimetilpolisiloxano (PDMS) mediante sonicación tipo sonda. Para dispersar los CNT en la matriz de PDMS, se utilizan ultrasonidos potentes y los efectos resultantes de la cavitación acústica para desenredar los nanotubos y mezclarlos uniformemente en una nanosuspensión. La sonicación con sonda es un método potente para dispersar los CNT debido a su capacidad para generar fuerzas de cavitación intensas que pueden romper y dispersar eficazmente los CNT aglomerados.
La dispersión por ultrasonidos es un paso de procesamiento sencillo que no requiere ningún tratamiento previo o posterior específico. El propio equipo de ultrasonidos es seguro y fácil de manejar.
El proceso de dispersión mediante sonicación tipo sonda suele implicar los siguientes pasos:

1. Preparación de la mezcla CNT-PDMS: Se añade una cantidad predeterminada de CNT a la matriz de PDMS y se mezclan previamente utilizando un agitador mecánico. Resulta interesante observar que al dispersar previamente los CNT en un disolvente se puede aumentar la conductividad eléctrica. Los mejores resultados se obtienen con tetrahidrofurano (THF), acetona o cloroformo (ordenados por mejores resultados).
2. Sonda de sonicación: La mezcla se somete a una sonicación de tipo sonda utilizando una sonda ultrasónica de alta intensidad que genera ondas ultrasónicas con una frecuencia típica de aproximadamente 20 kHz. Dependiendo del volumen y la formulación, la sonicación se lleva a cabo normalmente durante varios minutos para garantizar la dispersión completa de los CNT.
3. Control de la dispersión: La dispersión de los CNT se controla mediante técnicas como la microscopía electrónica de barrido (SEM), la microscopía electrónica de transmisión (TEM) o la espectroscopia UV-Vis. Estas técnicas pueden utilizarse para visualizar la distribución de los CNT dentro de la matriz de PDMS y asegurarse de que los CNT están uniformemente dispersos.

En resumen, la sonicación tipo sonda es un potente método para dispersar CNT en polímeros como el PDMS debido a su capacidad para generar intensas fuerzas de cavitación que pueden romper y dispersar eficazmente los CNT aglomerados.

Casos prácticos de fabricación por ultrasonidos de compuestos de CNT y polímero

La dispersión de nanotubos y otros nanomateriales basados en el carbono mediante ultrasonidos con sonda se ha investigado ampliamente y se ha aplicado posteriormente a la producción industrial. A continuación, presentamos algunos estudios de investigación que demuestran la excepcional eficacia de la dispersión ultrasónica de nanotubos.

Dispersión ultrasónica de CNT en PDMS para sensores portátiles

Del Bosque et al. (2022) compararon el fresado con tres rodillos y la sonicación por su eficacia en la dispersión de CNT. El análisis del procedimiento de dispersión de nanopartículas en la matriz polimérica muestra que la técnica de ultrasonicación proporciona una mayor sensibilidad eléctrica en comparación con el fresado de tres rodillos debido a la mayor homogeneidad de la distribución de CNT inducida por las fuerzas de cavitación. Probando varias cargas de CNT, se descubrió que el umbral de percolación del sistema CNT-PDMS, es decir, el contenido crítico de CNT en el que se vuelve eléctricamente conductor, es de 0,4% en peso de CNT. Los nanotubos de carbono multipared (MWCNT) se dispersaron por ultrasonidos utilizando el ultrasonicador UP400ST de Hielscher (véase la imagen de la izquierda) a 0,5 ciclos de pulsos y 50% de amplitud durante 2h. Los efectos de la dispersión por ultrasonidos a lo largo del tiempo de sonicación se muestran en la imagen inferior.
Basándose en este análisis, se seleccionaron las condiciones óptimas para la fabricación de los sensores vestibles con un 0,4% en peso de CNT mediante un proceso de ultrasonidos. A este respecto, un análisis de la respuesta eléctrica bajo ciclos de carga consecutivos mostró una alta robustez de los sensores desarrollados, sin presencia de daños al 2%, 5% y 10% de deformación, lo que hace que estos sensores sean fiables para monitorizar la deformación media.

Dispersión ultrasónica de MWCNTs en PDMS utilizando el ultrasonicador UP400St a varios tiempos de sonicación.(Estudio e imagen: ©del Bosque et al., 2022)

Equipo de dispersión ultrasónica de alto rendimiento para nanocompuestos de CNT y polímero

Hielscher Ultrasonics fabrica sondas de ultrasonidos de alta potencia para aplicaciones de dispersión exigentes en laboratorio, sobremesa e industria. Los dispersores de Hielscher Ultrasonics proporcionan una homogeneización y dispersión eficiente y precisa de nanomateriales en disolventes, polímeros y materiales compuestos.
Con su avanzada tecnología ultrasónica, estos dispersores ofrecen una solución rápida y sencilla para conseguir una distribución uniforme del tamaño de las partículas, dispersiones estables y/o funcionalización de nanopartículas.
Al reducir el tiempo de procesamiento y minimizar el consumo de energía, los dispersores de sonda ultrasónica pueden mejorar la productividad y reducir los costes operativos de empresas de diversos sectores.
Los ultrasonidos de Hielscher también pueden personalizarse para adaptarse a requisitos específicos, con opciones para una gama de tamaños de sonda, bocinas de refuerzo, niveles de potencia y celdas de flujo, lo que los hace versátiles y adaptables a diversas nanoformulaciones y volúmenes.
En general, los dispersores de sonda ultrasónica son una excelente inversión para los laboratorios y las industrias que buscan optimizar sus flujos de trabajo de procesamiento de nanomateriales y lograr resultados consistentes y fiables.

Diseño, fabricación y consultoría – Calidad Made in Germany

Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten la integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan con fiabilidad las condiciones más duras y los entornos más exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: