پراکنش نانولوله‌های کربنی در جوهرهای قابل چاپ 3D
پراکنش یکنواخت CNTها در جوهرهای قابل چاپ 3D می‌تواند خواص جوهر را بهبود دهد و کاربردهای جدیدی را در حوزه‌های مختلف امکان‌پذیر سازد. فراصوت‌دهی با پروب روشی بسیار قابل‌اعتماد برای پراکنده‌سازی و تولید نانوسوسپانسیون‌های پایدار CNTها در پلیمرها است.
پراکنش کارآمد و پایدار CNT در پلیمرها با فراصوت‌دهی
نانولوله‌های کربنی (CNTها) به‌دلیل خواص منحصربه‌فرد خود، اغلب برای کاربردهای گوناگون در روغن‌های سیلیسیم پراکنده می‌شوند. پراکنش CNTها در روغن‌های سیلیسیم می‌تواند خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی مواد حاصل را بهبود دهد. یکی از این کاربردها، ساخت پلیمرهای آلاییده با CNT برای جوهرهای رسانای قابل چاپ 3D است؛ برای مثال، برای ساخت افزایشی زیست‌پایهٔ حسگرهای لمسی پوشیدنی، داربست‌های بازسازی بافت اختصاصی هر بیمار و الکترودهای انعطاف‌پذیر ECG و EEG.
علاوه بر این، CNTهای پراکنده‌شده در روغن‌های سیلیسیم را می‌توان به‌عنوان جوهرهای رسانا در دستگاه‌های الکترونیکی، مانند نمایشگرها و حسگرهای انعطاف‌پذیر، به کار برد. CNTها به‌عنوان مسیرهای رسانا عمل می‌کنند و عبور جریان الکتریکی را امکان‌پذیر می‌سازند.
سامانهٔ صنعتی فراصوت پرتوان برای پراکنش صنعتی درون‌خطی: دستگاه‌های فراصوت با عملکرد بالا، سامانه‌های اختلاط درون‌خطی قابل‌اعتماد و بسیار کارآمدی برای تولید نانوپراکنه‌هایی مانند CNTها در پلیمرها هستند.
مزایای پراکنش فراصوتی CNT/پلیمر
فراصوت‌دهی روشی بسیار کارآمد برای پراکنده‌سازی است که مزایای متعددی دارد. مزایای پراکنده‌سازی فراصوتی نانولوله‌های کربنی (CNTها) در پلیمرها عبارت‌اند از:
سامانهٔ صنعتی فراصوتی برای فرایندهای حل‌سازی درون‌خطی، مانند پراکنش یکنواخت نانولوله‌های کربنی در فرمولاسیون‌های پلیمری.
دستورالعمل عمومی تولید فراصوتی کامپوزیت‌های CNT/PDMS
فراصوت‌دهی برای پراکنش مواد متعدد با ابعاد نانومتری در پلیمرها به کار می‌رود. یکی از کاربردهای مشخص و رایج آن، پراکنش نانولوله‌های کربنی (CNTها) در دی‌متیل‌پلی‌سیلوکسان (PDMS) با استفاده از فراصوت‌دهی با پروب است. برای پراکنده‌سازی CNTها در ماتریس PDMS، از فراصوت پرتوان و اثرات حاصل از کاویتاسیون آکوستیکی استفاده می‌شود تا درهم‌تنیدگی نانولوله‌ها باز شود و آن‌ها به‌طور یکنواخت در قالب یک نانوسوسپانسیون مخلوط شوند. فراصوت‌دهی با پروب، به‌دلیل توانایی ایجاد نیروهای شدید کاویتاسیون که می‌توانند CNTهای کلوخه‌شده را به‌طور مؤثر از هم باز و پراکنده کنند، روشی قدرتمند برای پراکنده‌سازی CNTها است.
پراکنده‌سازی فراصوتی مرحله‌ای ساده در پردازش است که به هیچ پیش‌تیمار یا پس‌تیمار خاصی نیاز ندارد. خود تجهیزات فراصوتی ایمن‌اند و کار با آن‌ها آسان است.
فرایند پراکنش با استفاده از فراصوت‌دهی با پروب معمولاً شامل مراحل زیر است:
- آماده‌سازی مخلوط CNT-PDMS: مقدار ازپیش‌تعیین‌شده‌ای از CNTها به ماتریس PDMS افزوده می‌شود و با استفاده از همزن مکانیکی، پیش‌اختلاط انجام می‌گیرد. جالب آنکه با پیش‌پراکنش CNTها در یک حلال، می‌توان رسانایی الکتریکی را افزایش داد. بهترین نتایج با تتراهیدروفوران (THF)، استون یا کلروفرم به دست می‌آیند (به‌ترتیب از بهترین نتیجه).
- فراصوت‌دهی با پروب: مخلوط با استفاده از یک پروب فراصوتی با شدت بالا تحت فراصوت‌دهی قرار می‌گیرد؛ این پروب امواج فراصوت را معمولاً با فرکانسی حدود 20 kHz تولید می‌کند. بسته به حجم و فرمولاسیون، فراصوت‌دهی معمولاً چند دقیقه انجام می‌شود تا از پراکنش کامل CNTها اطمینان حاصل شود.
- پایش پراکنش: پراکنش CNTها با استفاده از روش‌هایی مانند میکروسکوپی الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپی الکترونی عبوری (TEM) یا طیف‌سنجی UV-Vis پایش می‌شود. از این روش‌ها می‌توان برای مشاهدهٔ توزیع CNTها در ماتریس PDMS و اطمینان از پراکنش یکنواخت آن‌ها استفاده کرد.
در مجموع، فراصوت‌دهی با پروب، به‌دلیل توانایی ایجاد نیروهای شدید کاویتاسیون که می‌توانند CNTهای کلوخه‌شده را به‌طور مؤثر از هم باز و پراکنده کنند، روشی قدرتمند برای پراکنده‌سازی CNTها در پلیمرهایی مانند PDMS است.
مطالعات موردی ساخت فراصوتی کامپوزیت‌های CNT/پلیمر
پراکنش نانولوله‌ها و سایر نانومواد کربن‌پایه با استفاده از فراصوت‌دهی با پروب به‌طور گسترده بررسی شده و سپس در تولید صنعتی به کار گرفته شده است. در ادامه، چند پژوهش را معرفی می‌کنیم که کارایی استثنایی پراکنش فراصوتی نانولوله‌ها را نشان می‌دهند.
پراکنش فراصوتی CNTها در PDMS برای حسگرهای پوشیدنی
Del Bosque et al. (2022) اثربخشی آسیاب سه‌غلتکی و فراصوت‌دهی را در پراکنش CNT مقایسه کردند. تحلیل روش پراکنش نانوذرات در ماتریس پلیمری نشان می‌دهد که روش فراصوت‌دهی، به‌دلیل همگنی بیشتر توزیع CNT ناشی از نیروهای کاویتاسیون، در مقایسه با آسیاب سه‌غلتکی حساسیت الکتریکی بالاتری ایجاد می‌کند. با آزمایش مقادیر مختلف بارگذاری CNT، آستانهٔ تراوش سامانهٔ CNT-PDMS، یعنی مقدار بحرانی CNT که در آن سامانه رسانای الکتریکی می‌شود، برابر با 0٫4 wt% CNT تعیین شد. نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWCNTها) با فراصوت‌دهی توسط دستگاه فراصوت Hielscher مدل UP400ST (تصویر سمت چپ را ببینید)، با چرخه‌های پالسی 0٫5 و دامنهٔ 50 % به‌مدت 2h پراکنده شدند. اثرات پراکنده‌سازی فراصوتی در طول زمان فراصوت‌دهی در تصویر زیر نشان داده شده‌اند.
بر اساس این تحلیل، شرایط بهینه برای ساخت حسگرهای پوشیدنی، مقدار 0٫4 wt.% CNT با استفاده از فرایند فراصوت‌دهی انتخاب شد. در این زمینه، تحلیل پاسخ الکتریکی تحت چرخه‌های بارگذاری متوالی، استحکام بالای حسگرهای توسعه‌یافته را نشان داد؛ هیچ آسیبی در کرنش‌های 2%، 5% و 10% مشاهده نشد و این امر حسگرها را برای پایش کرنش متوسط قابل‌اعتماد می‌سازد.
پراکنش فراصوتی MWCNTها در PDMS با استفاده از دستگاه فراصوت UP400St در زمان‌های مختلف فراصوت‌دهی.
(پژوهش و تصویر: ©del Bosque et al., 2022)
تجهیزات پراکنده‌سازی فراصوتی با عملکرد بالا برای نانوکامپوزیت‌های CNT/پلیمر
Hielscher Ultrasonics پروب‌های فراصوت پرتوان را برای کاربردهای دشوار پراکنده‌سازی در آزمایشگاه، مقیاس رومیزی و صنعت تولید می‌کند. دستگاه‌های پراکنده‌ساز Hielscher Ultrasonics همگن‌سازی و پراکنش کارآمد و دقیق نانومواد را در حلال‌ها، پلیمرها و کامپوزیت‌ها فراهم می‌کنند.
این دستگاه‌های پراکنده‌ساز با فناوری پیشرفتهٔ فراصوتی خود، راهکاری سریع و آسان برای دستیابی به توزیع یکنواخت اندازهٔ ذرات، پراکنه‌های پایدار و/یا عامل‌دارسازی نانوذرات ارائه می‌دهند.
دستگاه‌های پراکنده‌ساز پروبی فراصوتی با کاهش زمان پردازش و به‌حداقل‌رساندن مصرف انرژی می‌توانند بهره‌وری را بهبود دهند و هزینه‌های عملیاتی کسب‌وکارها را در صنایع گوناگون کاهش دهند.
دستگاه‌های فراصوت Hielscher را همچنین می‌توان مطابق نیازهای خاص سفارشی‌سازی کرد. گزینه‌های متنوعی از اندازه‌های پروب، هورن‌های تقویت‌کننده، سطوح توان و سلول‌های جریان در دسترس‌اند که این دستگاه‌ها را برای نانوفرمولاسیون‌ها و حجم‌های گوناگون کاربردپذیر و سازگار می‌سازند.
در مجموع، دستگاه‌های پراکنده‌ساز پروبی فراصوتی سرمایه‌گذاری بسیار مناسبی برای آزمایشگاه‌ها و صنایعی هستند که به‌دنبال بهینه‌سازی روند پردازش نانومواد و دستیابی به نتایج یکدست و قابل‌اعتمادند.
طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان
دستگاه‌های فراصوت Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شهرت دارند. استحکام و کاربری آسان، ادغام بی‌دردسر دستگاه‌های فراصوت ما را در تأسیسات صنعتی امکان‌پذیر می‌کند. دستگاه‌های فراصوت Hielscher در شرایط سخت و محیط‌های پرچالش عملکردی قابل‌اعتماد دارند.
Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهینامهٔ ISO است و بر دستگاه‌های فراصوت با عملکرد بالا که از فناوری روز و کاربری آسان برخوردارند، تأکید ویژه‌ای دارد. البته دستگاه‌های فراصوت Hielscher با CE انطباق دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوت ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫5 تا 1٫5mL | قابل‌اعمال نیست | VialTweeter | 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنش، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
راکتور فراصوتی ناپیوسته برای پردازش صنعتی؛ برای مثال، واردکردن CNTها و سایر نانوپرکننده‌ها به پلیمرها برای تهیهٔ جوهرهای قابل چاپ 3D در ساخت افزایشی.
منابع علمی / مراجع
- 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 هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.