Süsiniknanotorude dispergeerimine 3D-prinditavates tintides

CNT-de ühtlane dispersioon 3D-prinditavates tintides võib parandada tindi omadusi ja võimaldada uusi rakendusi erinevates valdkondades. Sondtüüpi ultraheli töötlus on väga usaldusväärne dispergeerimismeetod CNT-de stabiilsete nanosuspensioonide valmistamiseks polümeerides.

CNT-de tõhus ja stabiilne dispergeerimine polümeerides tänu ultraheli töötlusele

Süsiniknanotorusid (CNT-sid) dispergeeritakse oma ainulaadsete omaduste tõttu sageli ränioliidesse (silicon oils) mitmesugusteks rakendusteks. CNT-de dispergeerimine ränioliides võib parandada tekkivate materjalide mehaanilisi, termilisi ja elektrilisi omadusi. Üks selline rakendus on CNT-dega legeeritud polümeeride valmistamine juhtivate 3D-prinditavate tintide jaoks, nt biopõhiseks aditiivseks tootmiseks mõeldud kantavate puutetundlike andurite, patsiendispetsiifiliste kudede regeneratsiooni karkasside ning painduvate EKG- ja EEG-elektroodide jaoks.
Lisaks saab ränioliides dispergeeritud CNT-sid kasutada juhtivate tintidena elektroonikaseadmetes, näiteks painduvates ekraanides ja anduritel. CNT-d toimivad juhtivate radadena, võimaldades elektrivoolu liikumist.

Süsiniknanotorude (CNT) dispergeerimine polümeerides on ultrahelisondide, näiteks UIP1000hdT tüüpiline rakendus. Ultrahelidispergaatorid tagavad CNT ühtlase jaotumise lahustites ja polümeerides, näiteks 3D-prinditavate tintide valmistamisel.

Suure jõudlusega sonikaatorid on usaldusväärsed ja väga tõhusad läbivoolusegamissüsteemid nanodispersioonide tootmiseks, nt juhtivate 3D-prinditavate nanotintide jaoks lisandtootmises.

Tööstuslik jõuultraheli süsteem tööstuslikuks inline-dispergeerimiseks: suure jõudlusega sonikaatorid on usaldusväärsed ja väga tõhusad inline-segamissüsteemid nanodispersioonide, näiteks CNT-de polümeerides, tootmiseks.

Ultraheli CNT/polümeeri dispergeerimise eelised

Ultraheli töötlus on väga tõhus dispergeerimismeetod, millel on mitmeid eeliseid. Süsiniknanotorude (CNT-de) ultraheli dispergeerimise eelised polümeerides on järgmised:

Parem dispersioon: Ultraheli energia suudab CNT-de aglomeraate tõhusalt lõhkuda ja soodustada nende ühtlast dispergeerumist polümeerides. Tulemuseks on homogeenne segu paremate mehaaniliste omaduste, elektrijuhtivuse ja soojusjuhtivusega.

Täpne kontroll: Ultraheli energia võimaldab paremini kontrollida dispergeerimisprotsessi, näiteks dispersiooniastet ja CNT-de suurust. See aitab saavutada tekkiva nanokomposiitmaterjali soovitud omadused.

Lühem töötlusaeg: Ultraheli dispergeerimine võib töötlusaega oluliselt lühendada võrreldes teiste dispergeerimismeetoditega, näiteks magnetsegamise või kuumutamiseta ultraheli töötlusega. See võib parandada protsessi tõhusust ja skaleeritavust.

Mitmekülgsus: Ultraheli dispergaatorid suudavad töödelda igasuguseid nanoosakesi, sealhulgas nanosfääre (nt nanoräni), nanotorusid (SWNT, MWNT), nanolehti, näiteks grafeen või borphene, funktsionaliseeritud nanomaterjale ning tuum-kest-nanoosakesi. Loomulikult saavad Hielscheri sonikaatorid hakkama suure tahkisesisaldusega ja sobivad kasutamiseks igasuguste lahustite ja vedelikega.

Kuluefektiivne: Ultraheli dispergaatorid on võrreldes veskite ja muude dispergeerimistehnikatega suhteliselt odav segamisseadmestik. Lisaks on ultraheliprotsessorid väga vastupidavad, vajavad väga vähe hooldust ja on väga energiatõhusad.

Partii- ja inline-töötlus: Ultraheli dispergeerimist saab läbi viia partiirežiimis või pidevvoolurežiimis.

Lihtne kasutus: Ultraheli sondid on lihtsad ja ohutud kasutada. Hielscheri digitaalsed sonikaatorid on programmeeritavad ja kaugjuhitavad. Automaatne andmete salvestamine aitab säilitada kvaliteedistandardeid.

Lineaarne skaleeritavus: Ultraheli dispergeerimisprotsesse saab täielikult lineaarselt skaleerida mis tahes suuruseni, mistõttu ultraheli töötlus on mitte ainult väga tõhus, vaid ka praktiline tootmismeetod tööstuslikuks valmistamiseks.

Keskkonnasõbralik: Ultraheli dispergeerimine on roheline ja keskkonnasõbralik meetod, mis võimaldab vältida või vähendada kahjulike lahustite või kemikaalide kasutamist, muutes selle ohutumaks ja jätkusuutlikumaks valikuks tööstuslikes rakendustes.

Ultraheli tööstussüsteem läbivoolulisteks lahustamisprotsessideks.

Tööstuslik ultraheli süsteem inline-lahustamisprotsessideks, nt süsiniknanotorude ühtlaseks dispergeerimiseks polümeerivalemitesse.

Selles videos näitame 2 kilovati võimsusega ultrahelisüsteemi läbivoolutööks läbipuhutavas kapis. Hielscher tarnib ultraheliseadmeid peaaegu kõigile tööstusharudele, sealhulgas keemia-, farmaatsia- ja kosmeetikatööstusele, naftakeemiaprotsessideks ning lahustipõhisteks ekstraheerimisprotsessideks. See läbipuhutav roostevabast terasest kapp on mõeldud töötamiseks plahvatusohtlikes piirkondades. Selleks saab klient suletud kappi lämmastiku või värske õhuga läbi puhuda, et takistada tuleohtlike gaaside või aurude sattumist kappi.

Üldprotokoll CNT/PDMS-komposiitide ultraheli tootmiseks

Ultraheli töötlust kasutatakse paljude nanosuuruses materjalide dispergeerimiseks polümeerides. Spetsiifiline ja sageli kasutatav rakendus on süsinik-nanotorude (CNT) dispergeerimine dimetüülpolüsiloksaanis (PDMS) sondtüüpi sonikeerimise abil. CNT-de dispergeerimiseks PDMS-maatriksisse kasutatakse võimsat ultraheli ja akustilise kavitatsiooni tekitatud mõjusid, et nanotorusid lahti harutada ja neid ühtlaselt nanosuspensiooniks segada. Sondtüüpi sonikeerimine on võimas meetod CNT-de dispergeerimiseks, kuna see suudab tekitada intensiivseid kavitatsioonijõude, mis suudavad aglomereerunud CNT-sid tõhusalt lõhkuda ja dispergeerida.
Ultraheli dispergeerimine on lihtne töötlusetapp, mis ei vaja spetsiaalset eel- ega järeltöötlust. Ultraheliseade ise on ohutu ja lihtne käsitseda.
Sondtüüpi sonikeerimisega dispergeerimise protsess hõlmab tavaliselt järgmisi etappe:

CNT-PDMS segu ettevalmistamine: Ette määratud kogus CNT-sid lisatakse PDMS-maatriksisse ja eelsegatakse mehaanilise segisti abil. Huvitaval kombel võib CNT-de eeldispergeerimine lahustis suurendada elektrijuhtivust. Parimad tulemused saavutatakse tetrahüdrofuraani (THF), atsetooni või kloroformiga (järjestatud tulemuste paremuse alusel).
Sondtüüpi sonikeerimine: Segu allutatakse sondtüüpi sonikeerimisele, kasutades suure intensiivsusega ultrahelisondi, mis tekitab ultrahelilaineid sagedusega tavaliselt ligikaudu 20 kHz. Sõltuvalt mahust ja koostisest sonikeeritakse tavaliselt mitu minutit, et tagada CNT-de täielik dispergeerumine.
Dispersiooni jälgimine: CNT-de dispersiooni jälgitakse selliste meetodite abil nagu skaneeriv elektronmikroskoopia (SEM), transmissioonelektronmikroskoopia (TEM) või UV-Vis spektroskoopia. Neid meetodeid saab kasutada CNT-de jaotuse visualiseerimiseks PDMS-maatriksis ning veendumiseks, et CNT-d on ühtlaselt dispergeeritud.

Kokkuvõttes on sondtüüpi sonikeerimine võimas meetod CNT-de dispergeerimiseks polümeerides, nagu PDMS, kuna see suudab tekitada intensiivseid kavitatsioonijõude, mis suudavad aglomereerunud CNT-sid tõhusalt lõhkuda ja dispergeerida.

Ultraheli homogenisaator dispergeerimis- ja segamisrakendusteks

Ultraheli homogenisaator UIP1000hdT

Juhtumiuuringud CNT/polümeer-komposiitide ultraheliga valmistamisest

Nanotorude ja teiste süsinikupõhiste nanomaterjalide dispergeerimist sondtüüpi ultraheli töötlusega on põhjalikult uuritud ning seejärel viidud tööstuslikku tootmisse. Allpool tutvustame mõnda uuringut, mis näitavad ultraheliga nanotorude dispergeerimise erakordset tõhusust.

CNT-de ultraheliga dispergeerimine PDMS-is kantavate andurite jaoks

Del Bosque jt (2022) võrdlesid kolmerullilist jahvatamist ja ultraheli töötlust (sonikeerimist) CNT-de dispergeerimise tõhususe osas. Nanoosakeste polümeermaatriksisse dispergeerimise protseduuri analüüs näitab, et ultraheli töötlus tagab kõrgema elektrilise tundlikkuse kui kolmerullilinejahvatamine, kuna kavitatsioonijõudude tekitatud CNT-de jaotus on homogeensem. Erinevaid CNT sisaldusi katsetades leiti, et CNT-PDMS süsteemi perkolatsioonilävi, st kriitiline CNT sisaldus, mille juures süsteem muutub elektrit juhtivaks, on 0,4 wt% CNT. Mitmeseinalised süsinik-nanotorud (MWCNT-d) dispergeeriti ultraheli töötlusega Hielscheri sonikaatoriga UP400ST (vt pilti vasakul) 0,5 pulsitsükliga ja 50 % amplituudil 2 h jooksul. Ultraheliga dispergeerimise mõju sonikeerimise aja jooksul on näidatud allolevalt pildil.
Selle analüüsi põhjal valiti kantavate andurite valmistamise optimaalseteks tingimusteks 0,4 wt.% CNT ultraheli töötluse abil. Selles osas näitas elektrilise vastuse analüüs järjestikuste koormustsüklite korral arendatud andurite suurt töökindlust, ilma kahjustuste esinemiseta 2%, 5% ja 10% deformatsiooni korral, mistõttu on need andurid usaldusväärsed keskmise deformatsiooni jälgimiseks.

Süsinik-nanotorude ultraheli dispergeerimine on väga tõhus nanotorude ühtlaseks jaotamiseks polümeermaatriksites, näiteks dimetüülpolüsiloksaanis (PDMS)

MWCNT-de ultraheliga dispergeerimine PDMS-is sonikaatoriga UP400St erinevatel sonikeerimisaegadel.
(Uuring ja pilt: ©del Bosque jt, 2022)

Suure jõudlusega ultraheli dispergeerimisseadmed CNT/polümeer nanokomposiitidele

Hielscher Ultrasonics toodab suure võimsusega ultraheli sonotroode nõudlikeks dispergeerimisrakendusteks laboris, labaskaalal (bench-top) ja tööstuses. Hielscher Ultrasonicsi dispergaatorid tagavad nanomaterjalide tõhusa ja täpse homogeniseerimise ja dispergeerimise lahustites, polümeerides ja komposiitides.
Oma täiustatud ultraheli tehnoloogiaga pakuvad need dispergaatorid kiiret ja lihtsat lahendust ühtlase osakeste suurusjaotuse, stabiilsete dispersioonide ja/või nanoosakeste funktsionaliseerimise saavutamiseks.
Töötlusaega lühendades ja energiatarbimist minimeerides võivad ultraheli sondiga dispergaatorid tõsta tootlikkust ja vähendada ettevõtete tegevuskulusid erinevates tööstusharudes.
Hielscheri sonikaatoreid saab kohandada ka konkreetsetele nõuetele vastavaks – valida on erinevate sondisuuruste, võimendussarvede (booster horn), võimsustasemete ja läbivoolukamberite vahel –, mis muudab need mitmekülgseks ja kohandatavaks erinevatele nanoformulatsioonidele ja mahtudele.
Kokkuvõttes on ultraheli sondiga dispergaatorid suurepärane investeering laboritele ja tööstusharudele, kes soovivad optimeerida oma nanomaterjalide töötlemise töövooge ning saavutada ühtlaseid ja usaldusväärseid tulemusi.

Disain, tootmine ja nõustamine – Saksamaal valmistatud kvaliteet

Hielscheri sonikaatorid on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie sonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri sonikaatorid tulevad töökindlalt toime rasketes tingimustes ja nõudlikes keskkondades.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ja pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega sonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult vastavad Hielscheri sonikaatorid CE nõuetele ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs-i nõudeid.

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Partii maht	Vooluhulk	Soovitatavad seadmed
0,5 kuni 1,5 mL	n.a.	VialTweeter
1 kuni 500 mL	10 kuni 200 mL/min	UP100H
10 kuni 2000 mL	20 kuni 400 mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 kuni 20 L	0,2 kuni 4 L/min	UIP2000hdT
10 kuni 100 L	2 kuni 10 L/min	UIP4000hdT
15 kuni 150 L	3 kuni 15 L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 kuni 100 L/min	UIP16000
n.a.	suurem	klaster: UIP16000

Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!

Süsiniknanotorude ultrahelidispergeerimine: Hielscher ultraheliseade UP400S (400W) dispergeerib ja harutab süsiniknanotorude kogumid kiiresti ja tõhusalt lahti üksikuteks nanotorudeks.

Ultraheli suure nihkejõuga homogenisaatoreid kasutatakse labori-, bench-top-, pilootmahu- ja tööstuslikus töötluses.

Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamisrakendusteks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraktsiooniks labori-, pilootmahu- ja tööstuslikus mastaabis.

Seotud teemad

Tööstuslik segamisreaktor nanodispersioonide jaoks, kasutades suure võimsusega ultraheli sonotroode.

Ultraheli partiireaktor tööstuslikuks töötlemiseks, nt CNT-de ja muude nanotäiteainete lisamiseks polümeeridesse 3D-prinditavate tintide jaoks lisandtootmises.

Kirjandus / viited

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.

Suure jõudlusega ultraheli! Hielscheri tootevalik hõlmab kogu spektrit kompaktsetest labori sonikaatoritest bench-top-seadmeteni ja täismahus tööstuslike ultraheli süsteemideni.

Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laboriskaalast kuni tööstusliku suuruseni.