Adhesivos nanoconductores para electrónica de alto rendimiento

Los dispersores ultrasónicos se utilizan como técnica fiable de mezcla y molienda en la producción de adhesivos de alto rendimiento para electrónica de alto rendimiento y nanoelectrónica. En la producción de electrónica de alto rendimiento, los adhesivos nanoconductores tienen una gran demanda. Estos adhesivos de alto rendimiento se utilizan, por ejemplo, como interconexiones alternativas y pueden sustituir la soldadura de estaño/plomo.

Adhesivos de alto rendimiento para electrónica de alto rendimiento

Para la producción de electrónica de alto rendimiento se requieren adhesivos con elevada adhesión a los metales y conductividad térmica para el desacoplamiento térmico y el aislamiento. Las nanopartículas de plata, níquel, grafeno, óxido de grafeno y nanotubos de carbono (CNTs) se incorporan con frecuencia a resinas epoxi y polímeros para obtener las propiedades funcionales deseadas, como conductividad eléctrica o aislamiento, conductividad térmica, resistencia a la tracción, módulo de Young y flexibilidad. Los adhesivos de alto rendimiento desarrollados para aplicaciones electrónicas de alto rendimiento utilizan cargas metálicas (como nanopartículas de plata, oro, níquel o cobre) para proporcionar conductividad eléctrica. Para aprovechar las propiedades extraordinarias de estos materiales, su tamaño debe reducirse a la escala nanométrica. Dado que la reducción del tamaño y la dispersión de nanopartículas son tareas complejas, una tecnología potente de molienda y dispersión es clave para obtener formulaciones de adhesivos satisfactorias.

La dispersión ultrasónica ofrece diversas ventajas frente a las técnicas tradicionales de mezcla y molienda. Gracias a su fiabilidad y eficacia, la sonicación se ha consolidado en el procesamiento de nanomateriales y se utiliza en cualquier industria en la que se sintetizan nanopartículas y/o se incorporan a líquidos. Por tanto, la ultrasonicación es la técnica ideal para producir adhesivos nanoconductores que contienen nanocargas, como nanopartículas, nanohilos, nanotubos de carbono y monocapas de grafeno (nanoláminas).
ECAs: Un ejemplo destacado es la formulación de adhesivos eléctricamente conductores (ECAs), que son materiales compuestos formados por una matriz polimérica y cargas eléctricamente conductoras. Para formular un adhesivo de alto rendimiento para aplicaciones electrónicas, una resina polimérica (por ejemplo, epoxi, silicona o poliimida) debe aportar funcionalidades físicas y mecánicas, como adhesión, resistencia mecánica y resistencia al impacto, mientras que la carga metálica (por ejemplo, nanoplata, nanooro, nanoníquel o nanocobre) proporciona una conductividad eléctrica superior. En los adhesivos con propiedades aislantes, se incorporan cargas minerales al material compuesto adhesivo.

Antes y después de la sonicación: la curva verde muestra el tamaño de partícula antes de la sonicación; la curva roja representa la distribución de tamaños de partícula de la sílice dispersada por ultrasonidos.

Dispersión ultrasónica de nanomateriales en adhesivos viscosos

Los homogeneizadores ultrasónicos son muy eficaces cuando es necesario reducir de forma fiable el tamaño de aglomerados, agregados e incluso partículas primarias. La ventaja de los mezcladores ultrasónicos es su capacidad para moler partículas hasta obtener tamaños más pequeños y uniformes, tanto si el proceso tiene como objetivo obtener micropartículas como nanopartículas. Mientras que otras tecnologías, como los mezcladores de palas o de rotor-estátor, los homogeneizadores de alta presión y los molinos de perlas, presentan inconvenientes como la incapacidad de producir nanopartículas uniformemente pequeñas, la contaminación por los medios de molienda, la obstrucción de boquillas y el elevado consumo energético, los dispersores ultrasónicos funcionan según el principio de la cavitación acústica. Se ha demostrado que la cavitación generada por ultrasonidos es muy eficaz, energéticamente eficiente y capaz de dispersar incluso materiales muy viscosos, como pastas cargadas con nanopartículas.

¿Cómo funciona la dispersión ultrasónica?

Las fuerzas de cizallamiento producidas por la cavitación y las corrientes de líquido aceleran las partículas hasta hacer que colisionen entre sí. Este fenómeno se conoce como colisión entre partículas. Las propias partículas actúan como medio de molienda, lo que evita la contaminación por las perlas de molienda y el posterior proceso de separación necesario cuando se utilizan molinos de perlas convencionales. Dado que las partículas se fragmentan por colisiones entre ellas a velocidades muy elevadas de hasta 280 m/sec, quedan sometidas a fuerzas extraordinariamente altas y se rompen en fracciones diminutas. La fricción y la erosión confieren a estos fragmentos de partículas una superficie pulida y una forma uniforme. ¡La combinación de fuerzas de cizallamiento y colisiones entre partículas proporciona a la homogeneización y la dispersión ultrasónicas una ventaja que permite obtener suspensiones y dispersiones coloidales muy homogéneas!
Otro beneficio de las elevadas fuerzas de cizallamiento generadas por los ultrasonidos es el efecto de adelgazamiento por cizallamiento. Por ejemplo, las resinas epoxi preparadas por ultrasonidos y cargadas con CNTs oxidados presentan un comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento. Como este efecto reduce temporalmente la viscosidad del fluido, facilita el procesamiento de materiales compuestos viscosos.

Una secuencia de fotogramas de alta velocidad (de a a f) que ilustra la exfoliación sonomecánica de una escama de grafito en agua mediante el UP200S, un ultrasonicador de 200 W con un sonotrodo de 3-mm. Las flechas señalan el lugar de separación (exfoliación), con burbujas de cavitación que penetran en la abertura.
(Estudio e imágenes:© Tyurnina et al. 2020)

Comparación de distintas nanocargas dispersadas en un endurecedor (ultrasonicación–US): (a) 0,5 wt% de nanofibra de carbono (CNF); (b) 0,5 wt% de CNToxi; (c) 0,5 wt% de nanotubo de carbono (CNT); (d) 0,5 wt% de CNT parcialmente dispersado.
(Estudio e imagen: © Zanghellini et al., 2021)

Ultrasonicadores de alta potencia para formular adhesivos de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics es especialista en equipos ultrasónicos de alto rendimiento para el procesamiento de líquidos y suspensiones. Los dispersores ultrasónicos permiten procesar materiales muy viscosos, como resinas con un alto contenido de cargas, y garantizan la distribución uniforme de los nanomateriales en los materiales compuestos.
El control preciso de los parámetros del proceso ultrasónico, como la amplitud, el aporte de energía, la temperatura, la presión y el tiempo, permite adaptar los adhesivos a escala nanométrica.
Tanto si su formulación requiere dispersar nanocargas orgánicas como inorgánicas, como nanotubos, nanocristales de celulosa (CNCs), nanofibras o nanometales, Hielscher Ultrasonics dispone del sistema ultrasónico ideal para su formulación de adhesivo.
Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas y son capaces de desaglomerar y dispersar nanomateriales incluso con viscosidades muy altas. Se pueden mantener fácilmente amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en funcionamiento 24/7.
Los ultrasonicadores Hielscher son reconocidos por su calidad, fiabilidad y robustez. Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y presta especial atención a los ultrasonicadores de alto rendimiento que incorporan tecnología de última generación y son fáciles de usar. Por supuesto, los ultrasonicadores Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.
La tabla siguiente ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonicadores: