Hiilinanoputkien dispergointi 3D-tulostettaviin musteisiin

CNT-hiilinanoputkien tasainen dispersio 3D-tulostettavissa musteissa voi parantaa musteen ominaisuuksia ja mahdollistaa uusia sovelluksia eri aloilla. Anturityyppinen ultraäänikäsittely on erittäin luotettava dispergointitekniikka, jolla voidaan tuottaa stabiileja CNT-nanosuspensioita polymeereihin.

Tehokas ja stabiili CNT-dispersio polymeereissä ultraäänikäsittelyn avulla

Hiilinanoputkia (CNT) dispergoidaan usein piiöljyihin erilaisia sovelluksia varten niiden ainutlaatuisten ominaisuuksien vuoksi. Hiilinanoputkien dispergointi piiöljyihin voi parantaa syntyvien materiaalien mekaanisia, termisiä ja sähköisiä ominaisuuksia. Yksi tällainen sovellus on CNT-seostettujen polymeerien valmistus sähköä johtavia 3D-tulostettavia musteita varten, esimerkiksi puettavien tuntoanturien, potilaskohtaisten kudosten uudistumista tukevien tukirakenteiden sekä taipuisien EKG- ja EEG-elektrodien biopohjaiseen lisäävään valmistukseen.
Lisäksi piiöljyihin dispergoituja hiilinanoputkia voidaan käyttää sähköä johtavina musteina elektronisissa laitteissa, kuten taipuisissa näytöissä ja antureissa. Hiilinanoputket muodostavat johtavia reittejä, jotka mahdollistavat sähkövirran kulun.

Hiilinanoputkien (CNT) dispergointi polymeereihin on tyypillinen käyttökohde UIP1000hdT:n kaltaisille ultraääniantureille. Ultraäänidispergointilaitteet varmistavat hiilinanoputkien tasaisen jakautumisen liuottimiin ja polymeereihin esimerkiksi 3D-tulostettavien musteiden valmistuksessa.

Suuritehoiset ultraäänilaitteet ovat luotettavia ja erittäin tehokkaita linjasekoitusjärjestelmiä nanodispersioiden, esimerkiksi lisäävässä valmistuksessa käytettävien sähköä johtavien 3D-tulostettavien nanomusteiden, valmistukseen.

Teollinen tehoultraäänijärjestelmä teolliseen linjassa tapahtuvaan dispergointiin: suuritehoiset ultraäänilaitteet ovat luotettavia ja erittäin tehokkaita linjasekoitusjärjestelmiä nanodispersioiden, kuten polymeereihin dispergoitujen hiilinanoputkien, valmistukseen.

CNT/polymeeriseosten ultraäänidispergoinnin edut

Ultraäänikäsittely on erittäin tehokas dispergointitekniikka, jolla on useita etuja. Hiilinanoputkien (CNT) ultraäänidispergoinnin etuja polymeereissä ovat:

Parempi dispersio: Ultraäänienergia voi tehokkaasti hajottaa hiilinanoputkien agglomeraatteja ja edistää niiden tasaista dispergoitumista polymeereihin. Tuloksena on homogeeninen seos, jonka mekaaniset ominaisuudet, sähkönjohtavuus ja lämmönjohtavuus ovat paremmat.

Tarkka hallinta: Ultraäänienergia mahdollistaa dispergointiprosessin, kuten dispergoitumisasteen ja hiilinanoputkien koon, paremman hallinnan. Tämä voi auttaa saavuttamaan syntyvälle nanokomposiittimateriaalille halutut ominaisuudet.

Lyhyempi käsittelyaika: Ultraäänidispergointi voi lyhentää käsittelyaikaa merkittävästi verrattuna muihin dispergointimenetelmiin, kuten magneettisekoitukseen tai ultraäänikäsittelyyn ilman lämmitystä. Tämä voi parantaa prosessin tehokkuutta ja skaalautuvuutta.

Monipuolisuus: Ultraäänidispergointilaitteilla voidaan käsitellä kaikenlaisia nanohiukkasia, kuten nanopalloja (esim. nanopiidioksidia), nanoputkia (SWNT, MWNT), nanolevyjä, kuten grafeenia tai borphene-materiaalia, funktionalisoituja nanomateriaaleja sekä ydin–kuori-nanohiukkasia. Hielscher-ultraäänilaitteet pystyvät luonnollisesti käsittelemään suuria kiintoainepitoisuuksia ja ovat yhteensopivia kaikkien liuottimien ja nesteiden kanssa.

Kustannustehokkuus: Ultraäänidispergointilaitteet ovat suhteellisen edullisia sekoituslaitteita verrattuna myllyihin ja muihin dispergointitekniikoihin. Lisäksi ultraääniprosessorit ovat erittäin kestäviä, vaativat hyvin vähän huoltoa ja ovat erittäin energiatehokkaita.

Eräkäsittely ja linjassa tapahtuva käsittely: Ultraäänidispergointi voidaan toteuttaa eräkäsittelynä tai jatkuvassa virtauksessa.

Helppokäyttöisyys: Ultraäänianturit ovat helppoja ja turvallisia käyttää. Hielscherin digitaaliset ultraäänilaitteet ovat ohjelmoitavia, ja niitä voidaan ohjata etänä. Automaattinen tietojen tallennus auttaa ylläpitämään laatustandardeja.

Lineaarinen skaalautuvuus: Ultraäänidispergointiprosessit voidaan skaalata täysin lineaarisesti mihin tahansa kokoon, mikä tekee ultraäänikäsittelystä paitsi erittäin tehokkaan myös käytännöllisen valmistusmenetelmän teolliseen tuotantoon.

Ympäristöystävällisyys: Ultraäänidispergointi on vihreä ja ympäristöystävällinen menetelmä, jonka avulla voidaan välttää haitallisten liuottimien tai kemikaalien käyttöä tai vähentää sitä. Tämä tekee siitä turvallisemman ja kestävän vaihtoehdon teollisiin sovelluksiin.

Teollinen ultraäänijärjestelmä linjassa tapahtuviin liuotusprosesseihin, esimerkiksi hiilinanoputkien tasaiseen dispergointiin polymeeriformulaatioihin.

Tällä videolla esittelemme 2 kilowatin ultraäänijärjestelmän, joka on asennettu suojakaasulla tai ilmalla huuhdeltavaan kaappiin jatkuvatoimista käyttöä varten. Hielscher toimittaa ultraäänilaitteita lähes kaikille teollisuudenaloille, kuten kemian-, lääke- ja kosmetiikkateollisuuteen, petrokemian prosesseihin sekä liuotinpohjaisiin uuttoprosesseihin. Tämä huuhdeltava ruostumattomasta teräksestä valmistettu kaappi on suunniteltu käytettäväksi räjähdysvaarallisissa tiloissa. Tätä varten asiakas voi huuhdella tiiviin kaapin typellä tai raikkaalla ilmalla estääkseen syttyvien kaasujen tai höyryjen pääsyn kaapin sisään.

Yleinen menettely CNT/PDMS-komposiittien valmistukseen ultraäänellä

Ultraäänikäsittelyä käytetään lukuisten nanokokoisten materiaalien dispergointiin polymeereihin. Yksi erityinen ja yleisesti käytetty sovellus on hiilinanoputkien (CNT) dispergointi dimetyylipolysiloksaaniin (PDMS) anturityyppisellä ultraäänikäsittelyllä. Hiilinanoputkien dispergoimiseksi PDMS-matriisiin käytetään tehoultraääntä ja sen aiheuttaman akustisen kavitaation vaikutuksia nanoputkien erottamiseen toisistaan ja niiden sekoittamiseen tasaisesti nanosuspensioksi. Anturityyppinen ultraäänikäsittely on tehokas menetelmä hiilinanoputkien dispergointiin, koska se pystyy tuottamaan voimakkaita kavitaatiovoimia, jotka voivat tehokkaasti hajottaa ja dispergoida agglomeroituneita hiilinanoputkia.
Ultraäänidispergointi on yksinkertainen käsittelyvaihe, joka ei vaadi erityistä esi- tai jälkikäsittelyä. Itse ultraäänilaitteisto on turvallinen ja helppokäyttöinen.
Anturityyppiseen ultraäänikäsittelyyn perustuva dispergointiprosessi sisältää tyypillisesti seuraavat vaiheet:

CNT-PDMS-seoksen valmistelu: Ennalta määritetty määrä hiilinanoputkia lisätään PDMS-matriisiin ja esisekoitetaan mekaanisella sekoittimella. Mielenkiintoista on, että hiilinanoputkien esidispergointi liuottimeen voisi parantaa sähkönjohtavuutta. Parhaat tulokset saavutetaan tetrahydrofuraanilla (THF), asetonilla tai kloroformilla (lueteltu parhaiden tulosten mukaisessa järjestyksessä).
Anturityyppinen ultraäänikäsittely: Seokselle tehdään anturityyppinen ultraäänikäsittely voimakkaalla ultraäänianturilla, joka tuottaa ultraääniaaltoja tyypillisesti noin 20 kHz:n taajuudella. Tilavuudesta ja formulaatiosta riippuen ultraäänikäsittelyä jatketaan tyypillisesti useita minuutteja hiilinanoputkien täydellisen dispergoitumisen varmistamiseksi.
Dispersion seuranta: Hiilinanoputkien dispersiota seurataan esimerkiksi pyyhkäisyelektronimikroskopialla (SEM), läpäisyelektronimikroskopialla (TEM) tai UV-Vis-spektroskopialla. Näillä tekniikoilla voidaan havainnollistaa hiilinanoputkien jakautumista PDMS-matriisissa ja varmistaa, että hiilinanoputket ovat dispergoituneet tasaisesti.

Yhteenvetona voidaan todeta, että anturityyppinen ultraäänikäsittely on tehokas menetelmä hiilinanoputkien dispergointiin polymeereihin, kuten PDMS:ään, koska se pystyy tuottamaan voimakkaita kavitaatiovoimia, jotka voivat tehokkaasti hajottaa ja dispergoida agglomeroituneita hiilinanoputkia.

Ultraäänihomogenisaattori dispergointi- ja sekoitussovelluksiin

Ultraäänihomogenisaattori UIP1000hdT

Tapaustutkimuksia CNT/polymeerikomposiittien valmistuksesta ultraäänellä

Nanoputkien ja muiden hiilipohjaisten nanomateriaalien dispergointia anturityyppisellä ultraäänikäsittelyllä on tutkittu laajasti, ja sitä on sittemmin otettu käyttöön teollisessa tuotannossa. Alla esittelemme muutamia tutkimuksia, jotka osoittavat nanoputkien ultraäänidispergoinnin poikkeuksellisen tehokkuuden.

Hiilinanoputkien ultraäänidispergointi PDMS:ään puettavia antureita varten

Del Bosque ym. (2022) vertasivat kolmivalssimyllykäsittelyn ja ultraäänikäsittelyn tehokkuutta hiilinanoputkien dispergoinnissa. Nanohiukkasten polymeerimatriisiin dispergointimenetelmän analyysi osoittaa, että ultraäänikäsittely tuottaa suuremman sähköisen herkkyyden kuin kolmivalssimyllykäsittely, koska kavitaatiovoimat tekevät hiilinanoputkien jakautumisesta tasaisempaa. Eri CNT-pitoisuuksia testattaessa CNT-PDMS-järjestelmän perkolaatiokynnykseksi eli kriittiseksi CNT-pitoisuudeksi, jossa järjestelmä muuttuu sähköä johtavaksi, todettiin 0,4 wt% CNT:tä. Moniseinäiset hiilinanoputket (MWCNTs) dispergoitiin ultraäänikäsittelyllä käyttäen Hielscher-ultraäänilaitetta UP400ST (katso vasemmanpuoleinen kuva) pulssijaksoasetuksella 0,5 ja 50 %:n amplitudilla 2 h:n ajan. Ultraäänidispergoinnin vaikutukset käsittelyajan kuluessa esitetään alla olevassa kuvassa.
Tämän analyysin perusteella puettavien anturien valmistuksen optimaalisiksi olosuhteiksi valittiin 0,4 wt.% CNT:tä ultraäänikäsittelyä käyttäen. Tässä yhteydessä sähköisen vasteen analyysi peräkkäisten kuormitusjaksojen aikana osoitti kehitettyjen anturien olevan erittäin kestäviä ilman minkäänlaisia vaurioita 2 %:n, 5 %:n ja 10 %:n venymillä, mikä tekee näistä antureista luotettavia kohtalaisen venymän seurantaan.

Hiilinanoputkien ultraäänidispergointi on erittäin tehokas tapa jakaa nanoputket tasaisesti polymeerimatriiseihin, kuten dimetyylipolysiloksaaniin (PDMS)

Moniseinäisten hiilinanoputkien (MWCNT) ultraäänidispergointi PDMS:ään ultraäänilaitteella UP400St eri ultraäänikäsittelyajoilla.
(Tutkimus ja kuva: ©del Bosque et al., 2022)

Suuritehoiset ultraäänidispergointilaitteet CNT/polymeerinanokomposiiteille

Hielscher Ultrasonics valmistaa suuritehoisia ultraääniantureita vaativiin dispergointisovelluksiin laboratorioissa, pöytälaitteilla ja teollisuudessa. Hielscher Ultrasonicsin dispergointilaitteet mahdollistavat nanomateriaalien tehokkaan ja tarkan homogenoinnin ja dispergoinnin liuottimissa, polymeereissä ja komposiiteissa.
Edistyneen ultraäänitekniikkansa ansiosta nämä dispergointilaitteet tarjoavat nopean ja helpon ratkaisun tasaisen hiukkaskokojakauman, stabiilien dispersioiden ja/tai nanohiukkasten funktionalisoinnin saavuttamiseen.
Lyhentämällä käsittelyaikaa ja minimoimalla energiankulutuksen ultraääniantureihin perustuvat dispergointilaitteet voivat parantaa tuottavuutta ja pienentää toimintakustannuksia eri teollisuudenalojen yrityksissä.
Hielscher-ultraäänilaitteita voidaan myös räätälöidä erityisvaatimuksiin. Saatavilla on erikokoisia antureita, amplitudinvahvistimia, tehotasoja ja virtauskennoja, joiden ansiosta laitteet ovat monipuolisia ja soveltuvat erilaisiin nanoformulaatioihin ja tilavuuksiin.
Kaiken kaikkiaan ultraääniantureihin perustuvat dispergointilaitteet ovat erinomainen investointi laboratorioille ja teollisuusyrityksille, jotka haluavat optimoida nanomateriaalien käsittelyn työnkulkuja ja saavuttaa tasalaatuisia, luotettavia tuloksia.

Suunnittelu, valmistus ja neuvonta – Saksassa valmistettua laatua

Hielscher-ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet toimivat luotettavasti ankarissa olosuhteissa ja vaativissa ympäristöissä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suuritehoisia ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusinta kehitystä edustava tekniikka ja käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Erätilavuus	Tilavuusvirta	Suositellut laitteet
0,5–1,5 mL	n.a.	VialTweeter
1–500 mL	10–200 mL/min	UP100H
10–2 000 mL	20–400 mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1–20 L	0,2–4 L/min	UIP2000hdT
10–100 L	2–10 L/min	UIP4000hdT
15–150 L	3–15 L/min	UIP6000hdT
n.a.	10–100 L/min	UIP16000
n.a.	suurempi	laiteryhmä, jossa on laitteita mallia UIP16000

Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!

Hiilinanoputkien ultraäänidispergointi: Hielscher-ultraäänilaite UP400S (400W) dispergoi hiilinanoputket ja purkaa niiden takertumat nopeasti ja tehokkaasti yksittäisiksi nanoputkiksi.

Voimakkaita leikkausvoimia tuottavia ultraäänihomogenisaattoreita käytetään käsittelyyn laboratorioissa, pöytälaitteilla sekä pilotti- ja teollisessa mittakaavassa.

Hielscher Ultrasonics valmistaa suuritehoisia ultraäänihomogenisaattoreita sekoitukseen, dispergointiin, emulgointiin ja uuttoon laboratorio-, pilotti- ja teollisessa mittakaavassa.

Liittyvät aiheet

Teollinen sekoitusreaktori nanodispersioiden valmistukseen suuritehoisilla ultraääniantureilla.

Ultraäänieräreaktori teolliseen käsittelyyn, esimerkiksi hiilinanoputkien ja muiden nanotäyteaineiden lisäämiseen polymeereihin lisäävässä valmistuksessa käytettäviä 3D-tulostettavia musteita varten.

Kirjallisuus / Lähteet

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.

Suuritehoista ultraäänitekniikkaa! Hielscherin tuotevalikoima kattaa koko kirjon kompaktista laboratorion ultraäänilaitteesta pöytälaitteisiin ja täyden teollisen mittakaavan ultraäänijärjestelmiin.

Hielscher Ultrasonics valmistaa suuritehoisia ultraäänihomogenisaattoreita laboratoriomittakaavasta aina teolliseen mittakaavaan.