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, hay una gran demanda de adhesivos nanoconductores. Estos adhesivos de alto rendimiento se utilizan, por ejemplo, como interconexiones alternativas y pueden sustituir a las soldaduras de estaño/plomo.

Adhesivos de alto rendimiento para electrónica de alto rendimiento

Los adhesivos nanorreforzados para aplicaciones en electrónica de alto rendimiento utilizan a menudo la dispersión ultrasónica para la distribución de nanopartículas.Para la producción de componentes electrónicos de alto rendimiento, se necesitan adhesivos con alta adhesividad metálica y conductividad térmica para el desacoplamiento térmico y el aislamiento. Las nanopartículas como la plata, el níquel, el grafeno, el óxido de grafeno y los nanotubos de carbono (CNT) se incorporan con frecuencia a las resinas epoxídicas y los polímeros para obtener las propiedades funcionales deseadas, como la conductividad eléctrica o el aislamiento, la conductividad térmica, la resistencia a la tracción, el módulo de Young y la flexibilidad. Los adhesivos desarrollados para la electrónica de alto rendimiento utilizan cargas metálicas (como nanopartículas de plata, oro, níquel o cobre) para proporcionar conductividad eléctrica. Para desbloquear las extraordinarias propiedades de estos materiales, su tamaño debe reducirse a escala nanométrica. Como la reducción del tamaño y la dispersión de las nanopartículas es una tarea difícil, una potente tecnología de molienda y dispersión es clave para el éxito de las formulaciones adhesivas.

Dispersión ultrasónica para

  • Adhesivos conductores de la electricidad (ECA)
  • – Adhesivos conductores isotrópicos (ICA)
  • – Adhesivos conductores anisótropos (ACA)
  • Adhesivos no conductores / aislantes de la electricidad

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La dispersión ultrasónica es una tecnología muy eficaz para desenredar y desaglomerar nanopartículas. Por ello, los ultrasonicadores de Hielscher Ultrasonics se utilizan ampliamente en la industria para producir nanodispersiones y suspensiones nanoestructuradas a mayor escala.

Instalación industrial de dispersores ultrasónicos (2x UIP1000hdT) para procesar nanopartículas y nanotubos en modo continuo en línea.

El vídeo muestra la mezcla y dispersión por ultrasonidos de grafeno en 250 ml de resina epoxi (Toolcraft L), utilizando un homogeneizador por ultrasonidos (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics fabrica equipos para dispersar grafito, grafeno, nanotubos de carbono, nanocables o cargas en el laboratorio o en procesos de producción de gran volumen. Las aplicaciones típicas son la dispersión de nanomateriales y micromateriales durante el proceso de funcionalización o la dispersión en resinas o polímeros.

Mezclar resina epoxi con relleno de grafito utilizando el homogeneizador ultrasónico UP400St (400 vatios)

La dispersión por ultrasonidos ofrece varias ventajas en comparación con las técnicas tradicionales de mezcla y molienda. Debido a su fiabilidad y eficacia, la sonicación se ha establecido en el procesamiento de nanomateriales y puede encontrarse en cualquier industria en la que se sinteticen nanopartículas y/o se incorporen a líquidos. La ultrasonicación es, por tanto, la técnica ideal para la producción de adhesivos nanoconductores que contienen nanorrellenos como nanopartículas, nanocables o nanotubos de carbono y monocapas de grafeno (nanohojas).
ECAs: Un ejemplo destacado es la formulación de adhesivos conductores de la electricidad (ECA), que son compuestos formados por una matriz polimérica y cargas conductoras de la electricidad. Para formular un adhesivo de alto rendimiento para aplicaciones electrónicas, una resina polimérica (por ejemplo, epoxi, silicona, poliimida) debe proporcionar funcionalidades físicas y mecánicas como adhesión, resistencia mecánica, resistencia al impacto, mientras que el relleno metálico (por ejemplo, nanoplata, nanooro, nano-níquel o nano-cobre) crea una conductividad eléctrica superior. En el caso de los adhesivos con propiedades aislantes, se incorporan cargas minerales al compuesto adhesivo.

La dispersión ultrasónica da lugar a una distribución muy estrecha del tamaño de las partículas.

Antes y después de la sonicación: La curva verde muestra el tamaño de partícula antes de la sonicación, la curva roja es la distribución del tamaño de partícula de la sílice dispersada por ultrasonidos.

Dispersión ultrasónica de nanomateriales en adhesivos viscosos

Los homogeneizadores ultrasónicos son muy eficaces cuando es preciso reducir de forma fiable el tamaño de aglomerados de partículas, agregados e incluso partículas primarias. La ventaja de los mezcladores ultrasónicos es su capacidad para moler partículas hasta tamaños más pequeños y uniformes, ya se trate de micropartículas o nanopartículas. Mientras que otras tecnologías, como los mezcladores de paletas o rotor-estator, los homogeneizadores de alta presión, los molinos de bolas, etc., presentan inconvenientes como la incapacidad de producir nanopartículas uniformemente pequeñas, la contaminación por los medios de molienda, la obstrucción de las boquillas y el elevado consumo de energía, los dispersores ultrasónicos utilizan el principio de funcionamiento de la cavitación acústica. La cavitación generada por ultrasonidos ha demostrado ser muy eficaz, eficiente desde el punto de vista energético y capaz de dispersar incluso materiales muy viscosos, como las pastas cargadas de nanopartículas.

La dispersión ultrasónica es muy eficaz para dispersar y desaglomerar nanopartículas.

Nanopartículas de PLGA. (A): Distribución de tamaños de partículas preparadas con una concentración de polímero/potencia de sonicación del 2%/ 32W, 5%/ 32W y 2%/ 25W%; tiempo de residencia = 14 s. (B),(C): Imágenes SEM de partículas preparadas a partir de soluciones de polímero al 2 y 5%, respectivamente. Tiempo de residencia = 14 s; potencia de sonicación = 32 W. Las barras representan 1 micra.
(Estudio e imágenes: © Freitas et al., 2006)

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Ultrasonicator UP200St (200W) dispersando negro de carbón en agua usando 1%wt Tween80 como surfactante.

Dispersión ultrasónica de negro de humo con el ultrasonicador UP200St

¿Cómo funciona la dispersión ultrasónica?

Las fuerzas de cizallamiento cavitacional y las corrientes de líquido aceleran las partículas de modo que chocan entre sí. Esto se conoce como colisión interpartículas. Las propias partículas actúan como medio de molienda, lo que evita la contaminación por perlas de molienda y el posterior proceso de separación, necesario cuando se utilizan molinos de perlas convencionales. Dado que las partículas se rompen por colisión interpartículas a velocidades muy altas, de hasta 280 m/seg, se aplican fuerzas extraordinariamente altas a las partículas, que se rompen por tanto en fracciones diminutas. La fricción y la erosión confieren a esos fragmentos de partículas una superficie pulida y una forma uniforme. La combinación de fuerzas de cizallamiento y colisión entre partículas confiere a la homogeneización y dispersión por ultrasonidos la ventaja de proporcionar suspensiones y dispersiones coloidales altamente homogéneas.
Otra ventaja de las fuerzas de alto cizallamiento generadas por ultrasonidos es el efecto de adelgazamiento por cizallamiento. Por ejemplo, las resinas epoxi preparadas por ultrasonidos y rellenas de CNT oxidados muestran un comportamiento de cizallamiento-adelgazamiento. Como el adelgazamiento por cizallamiento reduce temporalmente la viscosidad del fluido, se facilita el procesamiento de compuestos viscosos.

Exfoliación ultrasónica del grafeno en el agua

Secuencia de alta velocidad (de a a f) de fotogramas que ilustran la exfoliación sonomecánica de una escama de grafito en agua utilizando el UP200S, un ultrasonido de 200 W con sonotrodo de 3 mm. Las flechas muestran el lugar de la división (exfoliación) con burbujas de cavitación que penetran en la división.
(Estudio e imágenes:© Tyurnina et al. 2020)

Configuración ultrasónica de sobremesa para la preparación de nanocompuestos, por ejemplo, para adhesivos de alto rendimiento.

UIP1000hdT – Configuración ultrasónica de sobremesa para la preparación de nanocompuestos, por ejemplo, para adhesivos de alto rendimiento.

En este vídeo le mostramos un sistema de ultrasonidos de 2 kilovatios para funcionamiento en línea en una cabina purgable. Hielscher suministra equipos de ultrasonidos a casi todas las industrias, como la química, farmacéutica, cosmética, petroquímica, así como para procesos de extracción basados en disolventes. Esta cabina de acero inoxidable purgable está diseñada para funcionar en zonas peligrosas. Para ello, la cabina sellada puede ser purgada por el cliente con nitrógeno o aire fresco para evitar que entren en ella gases o vapores inflamables.

2x Ultrasonicadores de 1000 vatios en armario purgable para instalación en zonas peligrosas

Ventajas de la nanodispersión y el fresado por ultrasonidos

  • nanoprocesamiento eficaz: eficiente & para ahorrar tiempo
  • adaptable a formulaciones de productos específicas
  • tratamiento uniforme
  • condiciones de proceso controlables con precisión
  • resultados reproducibles
  • rentabilidad
  • funcionamiento seguro
  • instalación sencilla, bajo mantenimiento
  • ampliación lineal a cualquier volumen
  • respetuoso con el medio ambiente
La mezcla y dispersión por ultrasonidos de alto cizallamiento se utiliza para incorporar nanorrellenos en matrices poliméricas, por ejemplo, para la producción de adhesivos de alto rendimiento.

Comparación de diferentes nanorrellenos dispersos en el endurecedor (ultrasonidos-US): (a) 0,5 % en peso de nanofibras de carbono (CNF); (b) 0,5 % en peso de CNToxi; (c) 0,5 % en peso de nanotubos de carbono (CNT); (d) 0,5 % en peso de CNT semidispersos.
(Estudio e imagen: © Zanghellini et al., 2021)

Ultrasonidos de alta potencia para la formulación de adhesivos de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics es especialista en equipos ultrasónicos de alto rendimiento para el procesamiento de líquidos y lodos. Los dispersores ultrasónicos permiten procesar materiales de alta viscosidad, como resinas muy cargadas, y garantizan la distribución uniforme de nanomateriales en materiales compuestos.
El control preciso de los parámetros del proceso ultrasónico, como la amplitud, la entrada de energía, la temperatura, la presión y el tiempo, permite adaptar los adhesivos en el rango nanométrico.
Tanto si su formulación requiere la dispersión de nanorrellenos orgánicos o inorgánicos como nanotubos, nanocristales de celulosa (CNC), nanofibras o nanometales, Hielscher Ultrasonics tiene la configuración ultrasónica ideal para su formulación adhesiva.
Hielscher Ultrasonics’ Los procesadores ultrasónicos industriales pueden suministrar amplitudes muy elevadas y son capaces de desaglomerar y dispersar nanomateriales incluso a viscosidades muy altas. Las amplitudes de hasta 200 µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7.
Los ultrasonidos Hielscher son reconocidos por su calidad, fiabilidad y robustez. Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonicadores de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonicadores 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:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
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
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Los homogeneizadores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan en procesos de laboratorio, de sobremesa, piloto e industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.



Literatura / Referencias


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonicador compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.