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 posibilitar 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 eficiente y estable de CNT en polímeros mediante sonicación
Los nanotubos de carbono (CNT) suelen dispersarse en aceites de silicio para diversas aplicaciones debido a sus propiedades únicas. La dispersión de CNT en aceites de silicio 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 que se llevan sobre el cuerpo, andamios de regeneración tisular específicos para cada paciente 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 que permiten el flujo de corriente eléctrica.
Sistema industrial de ultrasonidos de potencia para la dispersión industrial en línea: los ultrasonicadores de alto rendimiento son sistemas de mezclado en línea fiables y muy eficientes para la producción de nanodispersiones, como las de CNT en polímeros.
Ventajas de la dispersión ultrasónica de CNT en polímeros
La ultrasonicación es una técnica de dispersión muy eficiente que ofrece diversas ventajas. Las ventajas de la dispersión ultrasónica de nanotubos de carbono (CNT) en polímeros incluyen:
Sistema ultrasónico industrial para procesos de disolución en línea, por ejemplo, la dispersión uniforme de nanotubos de carbono en formulaciones poliméricas.
Protocolo general para la producción ultrasónica de materiales compuestos de CNT/PDMS
La ultrasonicación se utiliza para dispersar numerosos materiales de tamaño nanométrico en polímeros. Una aplicación específica y habitual es la dispersión de nanotubos de carbono (CNT) en dimetilpolisiloxano (PDMS) mediante sonicación con sonda. Para dispersar los CNT en la matriz de PDMS, se utilizan ultrasonidos de potencia 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 CNT gracias a su capacidad de generar fuerzas intensas de cavitación que pueden deshacer y dispersar eficazmente los CNT aglomerados.
La dispersión ultrasónica es una etapa de procesamiento sencilla que no requiere ningún tratamiento previo ni posterior específico. El propio equipo ultrasónico es seguro y fácil de manejar.
El proceso de dispersión mediante sonicación con sonda suele incluir las siguientes etapas:
- Preparación de la mezcla de CNT-PDMS: Se añade una cantidad predeterminada de CNT a la matriz de PDMS y se realiza una mezcla previa con un agitador mecánico. Es interesante señalar que la dispersión previa de los CNT en un disolvente podría aumentar la conductividad eléctrica. Los mejores resultados se obtienen con tetrahidrofurano (THF), acetona o cloroformo (ordenados de mejores a peores resultados).
- Sonicación con sonda: La mezcla se somete a sonicación con sonda utilizando una sonda ultrasónica de alta intensidad que genera ondas ultrasónicas con una frecuencia habitual de aproximadamente 20 kHz. Según el volumen y la formulación, la sonicación suele realizarse durante varios minutos para garantizar la dispersión completa de los CNT.
- Seguimiento de la dispersión: La dispersión de los CNT se supervisa mediante técnicas como la microscopía electrónica de barrido (SEM), la microscopía electrónica de transmisión (TEM) o la espectroscopía UV-Vis. Estas técnicas permiten visualizar la distribución de los CNT dentro de la matriz de PDMS y garantizar que estén dispersos uniformemente.
En resumen, la sonicación con sonda es un método potente para dispersar CNT en polímeros como el PDMS gracias a su capacidad de generar fuerzas intensas de cavitación que pueden deshacer y dispersar eficazmente los CNT aglomerados.
Estudios de caso sobre la fabricación ultrasónica de materiales compuestos de CNT y polímeros
La dispersión de nanotubos y otros nanomateriales de carbono mediante ultrasonicación con sonda se ha investigado ampliamente y posteriormente se ha implantado en la producción industrial. A continuación presentamos varios estudios de investigación que demuestran la eficiencia excepcional de la dispersión ultrasónica de nanotubos.
Dispersión ultrasónica de CNT en PDMS para sensores que se llevan sobre el cuerpo
Del Bosque et al. (2022) compararon la eficacia de la molienda con tres rodillos y la sonicación para dispersar CNT. El análisis del procedimiento de dispersión de nanopartículas en la matriz polimérica muestra que la técnica de ultrasonicación proporciona una mayor sensibilidad eléctrica que la molienda con tres rodillos debido a la mayor homogeneidad de la distribución de CNT inducida por las fuerzas de cavitación. Al ensayar diversas cargas de CNT, se determinó que el umbral de percolación del sistema CNT-PDMS, es decir, el contenido crítico de CNT a partir del cual se vuelve eléctricamente conductor, era de 0,4 wt% de CNT. Los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNTs) se dispersaron mediante ultrasonicación con el ultrasonicador Hielscher UP400ST (véase la imagen de la izquierda), con ciclos de pulso de 0,5 y una amplitud del 50 % durante 2h. Los efectos de la dispersión ultrasónica a lo largo del tiempo de sonicación se muestran en la imagen inferior.
A partir de este análisis, se seleccionó un contenido de 0,4 wt.% de CNT mediante un proceso de ultrasonicación como condición óptima para fabricar los sensores que se llevan sobre el cuerpo. En este sentido, un análisis de la respuesta eléctrica durante ciclos de carga consecutivos mostró una gran robustez de los sensores desarrollados, sin ningún daño con deformaciones del 2%, 5% y 10%, lo que hace que estos sensores sean fiables para supervisar deformaciones de magnitud media.
Dispersión ultrasónica de MWCNTs en PDMS con el ultrasonicador UP400St a distintos tiempos de sonicación.
(Estudio e imagen: ©del Bosque et al., 2022)
Equipos de dispersión ultrasónica de alto rendimiento para nanocompuestos de CNT y polímeros
Hielscher Ultrasonics fabrica sondas ultrasónicas de alta potencia para aplicaciones exigentes de dispersión en laboratorio, equipos de sobremesa e industria. Los dispersores de Hielscher Ultrasonics proporcionan una homogeneización y dispersión eficientes y precisas de nanomateriales en disolventes, polímeros y materiales compuestos.
Gracias a su avanzada tecnología ultrasónica, estos dispersores ofrecen una solución rápida y sencilla para obtener una distribución uniforme del tamaño de partícula, dispersiones estables y/o la funcionalización de nanopartículas.
Al reducir el tiempo de procesamiento y minimizar el consumo energético, los dispersores ultrasónicos de sonda pueden mejorar la productividad y reducir los costes operativos de empresas de diversos sectores.
Los ultrasonicadores Hielscher también pueden personalizarse para satisfacer requisitos específicos, con opciones de distintos tamaños de sonda, amplificadores mecánicos de amplitud, niveles de potencia y celdas de flujo, lo que los hace versátiles y adaptables a diversas nanoformulaciones y volúmenes.
En conjunto, los dispersores ultrasónicos de sonda son una excelente inversión para laboratorios e industrias que buscan optimizar sus flujos de trabajo de procesamiento de nanomateriales y obtener resultados uniformes y fiables.
Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania
Los ultrasonicadores Hielscher son conocidos por sus exigentes estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de manejo permiten integrar nuestros ultrasonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los ultrasonicadores Hielscher funcionan de forma fiable en condiciones duras y entornos exigentes.
Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO que presta especial atención a los ultrasonicadores de alto rendimiento con tecnología de vanguardia y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonicadores Hielscher cumplen con la normativa CE y satisfacen los requisitos de UL, CSA y RoHs.
La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores:
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 0,5 a 1,5 mL | n.a. | VialTweeter | 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 a 150 L | 3 a 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezclado, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.
Reactor ultrasónico por lotes para el procesamiento industrial, por ejemplo, la incorporación de CNT y otras nanocargas en polímeros para tintas imprimibles en 3D destinadas a la fabricación aditiva.
Bibliografía / Referencias
- 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.
- Kim, J., Hwang, JY., Hwang, H. et al. (2018): Simple and cost-effective method of highly conductive and elastic carbon nanotube/polydimethylsiloxane composite for wearable electronics. Scientific Reports 8, 1375 (2018).
- Lima, Márcio; Andrade, Mônica; Skákalová, Viera; Bergmann, Carlos; Roth, Siegmar (2007): Dynamic percolation of carbon nanotubes in liquid medium. Journal of Materials Chemistry 17, 2007. 4846-4853.
- Shar, A., Glass, P., Park, S. H., Joung, D. (2023): 3D Printable One-Part Carbon Nanotube-Elastomer Ink for Health Monitoring Applications. Advanced Functional Materials 33, 2023.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde escala de laboratorio hasta escala industrial.