Nanojohtavat liimat suorituskykyiseen elektroniikkaan

Ultraäänidispergointilaitteita käytetään luotettavana sekoitus- ja jauhatusmenetelmänä valmistettaessa suorituskykyisiä liimoja suorituskykyiseen elektroniikkaan ja nanoelektroniikkaan. Suorituskykyisen elektroniikan tuotannossa nanojohtavien liimojen kaltaisilla liimoilla on suuri kysyntä. Tällaisia suorituskykyisiä liimoja käytetään esimerkiksi vaihtoehtoisina liitoksina, ja niillä voidaan korvata tina-lyijyjuote.

Suorituskykyiset liimat suorituskykyiseen elektroniikkaan

Suorituskykyisen elektroniikan tuotannossa tarvitaan liimoja, jotka tarttuvat hyvin metalliin ja johtavat hyvin lämpöä lämmön irtikytkentää ja eristystä varten. Nanohiukkasia, kuten hopeaa, nikkeliä, grafeenia, grafeenioksidia ja hiilinanoputkia (CNT), sisällytetään usein epoksihartseihin ja polymeereihin haluttujen toiminnallisten ominaisuuksien, kuten sähkönjohtavuuden tai eristävyyden, lämmönjohtavuuden, vetolujuuden, kimmomoduulin ja joustavuuden, saavuttamiseksi. Suorituskykyiseen elektroniikkaan kehitetyissä suorituskykyisissä liimoissa käytetään metallitäyteaineita (kuten hopea-, kulta-, nikkeli- tai kuparinanohiukkasia) sähkönjohtavuuden aikaansaamiseksi. Näiden materiaalien poikkeuksellisten ominaisuuksien hyödyntämiseksi niiden koko on pienennettävä nanomittakaavaan. Koska nanohiukkasten koon pienentäminen ja dispergointi on haastavaa, tehokas jauhatus- ja dispergointitekniikka on onnistuneiden liimaformulaatioiden avain.

Ultraäänidispergointi tarjoaa useita etuja perinteisiin sekoitus- ja jauhatusmenetelmiin verrattuna. Luotettavuutensa ja tehokkuutensa ansiosta ultraäänikäsittely on vakiintunut nanomateriaalien käsittelyssä, ja sitä käytetään kaikilla teollisuudenaloilla, joilla nanohiukkasia syntetisoidaan ja/tai sisällytetään nesteisiin. Ultraäänikäsittely on siksi ihanteellinen menetelmä nanojohtavien liimojen valmistukseen, kun ne sisältävät nanotäyteaineita, kuten nanohiukkasia, nanolankoja tai hiilinanoputkia ja yksikerroksista grafeenia (nanolevyjä).
ECA-liimat: Merkittävä esimerkki on sähköä johtavien liimojen (ECA) formulointi. Ne ovat polymeerimatriisista ja sähköä johtavista täyteaineista valmistettuja komposiitteja. Suorituskykyisen liiman formuloimiseksi elektroniikkasovelluksiin polymeerihartsin (esim. epoksi, silikoni, polyimidi) on tuotettava fysikaalisia ja mekaanisia toiminnallisia ominaisuuksia, kuten tarttuvuutta, mekaanista lujuutta ja iskulujuutta, kun taas metallitäyteaine (esim. nanohopea, nanokulta, nanonikkeli tai nanokupari) saa aikaan erinomaisen sähkönjohtavuuden. Eristäviä ominaisuuksia omaavissa liimoissa liimakomposiittiin sisällytetään mineraalipohjaisia täyteaineita.

Ennen ultraäänikäsittelyä ja sen jälkeen: vihreä käyrä esittää hiukkaskoon ennen ultraäänikäsittelyä, ja punainen käyrä esittää ultraäänellä dispergoidun piidioksidin hiukkaskokojakauman.

Nanomateriaalien ultraäänidispergointi viskooseihin liimoihin

Ultraäänihomogenisaattorit ovat erittäin tehokkaita, kun hiukkasagglomeraattien, aggregaattien ja jopa primäärihiukkasten kokoa on pienennettävä luotettavasti. Ultraäänisekoittimien etuna on niiden kyky jauhaa hiukkasia pienempään ja tasaisempaan hiukkaskokoon riippumatta siitä, tavoitellaanko prosessin lopputuloksena mikro- vai nanohiukkasia. Muilla tekniikoilla, kuten lapa- tai roottori-staattorisekoittimilla, korkeapainehomogenisaattoreilla ja helmimyllyillä, on haittoja, kuten kyvyttömyys tuottaa tasaisen pieniä nanohiukkasia, jauhatusaineiden aiheuttama kontaminaatio, suuttimien tukkeutuminen ja suuri energiankulutus. Ultraäänidispergointilaitteet puolestaan perustuvat akustiseen kavitaatioon. Ultraäänellä tuotetun kavitaation on osoitettu olevan erittäin tehokasta ja energiatehokasta sekä pystyvän dispergoimaan jopa hyvin viskooseja materiaaleja, kuten nanohiukkasia sisältäviä tahnoja.

Miten ultraäänidispergointi toimii?

Kavitaation aiheuttamat leikkausvoimat ja nestevirtaukset kiihdyttävät hiukkasia niin, että ne törmäävät toisiinsa. Tätä kutsutaan hiukkasten väliseksi törmäykseksi. Hiukkaset itse toimivat jauhatusaineena, mikä estää jauhatushelmien aiheuttaman kontaminaation ja poistaa sitä seuraavan erotusprosessin tarpeen. Tämä erotusprosessi on välttämätön käytettäessä perinteisiä helmimyllyjä. Koska hiukkaset hajoavat keskinäisissä törmäyksissä erittäin suurilla, jopa 280m/sec nopeuksilla, niihin kohdistuu poikkeuksellisen suuria voimia, joiden vuoksi ne rikkoutuvat hyvin pieniksi osiksi. Kitka ja eroosio antavat näille hiukkasfragmenteille kiillotetun pinnan ja yhdenmukaisen muodon. Leikkausvoimien ja hiukkasten välisten törmäysten yhdistelmä antaa ultraäänihomogenoinnille ja -dispergoinnille edun tuottamalla erittäin homogeenisia kolloidisia suspensioita ja dispersioita!
Toinen ultraäänen tuottamien suurten leikkausvoimien etu on leikkausohennus. Esimerkiksi ultraäänellä valmistetut, hapetettuja hiilinanoputkia sisältävät epoksihartsit käyttäytyvät leikkausohenevasti. Koska leikkausohennus alentaa nesteen viskositeettia tilapäisesti, viskoosien komposiittien käsittely helpottuu.

Suurnopeuskuvasarja (a:sta f:ään), joka havainnollistaa grafiittihiutaleen ultraäänimekaanista eksfoliaatiota vedessä käyttäen laitetta UP200S. Se on 200W:n ultraäänilaite, jossa on 3 mm:n sonotrodi. Nuolet osoittavat halkeamiskohdan (eksfoliaation), johon kavitaatiokuplat tunkeutuvat.
(Tutkimus ja kuvat:© Tyurnina et al. 2020)

Kovetteeseen dispergoitujen eri nanotäyteaineiden vertailu (ultraäänikäsittely – US): (a) 0,5 wt% hiilinanokuitua (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% hiilinanoputkia (CNT); (d) 0,5 wt% osittain dispergoituja hiilinanoputkia (CNT).
(Tutkimus ja kuva: © Zanghellini et al., 2021)

Suuritehoiset ultraäänilaitteet suorituskykyisten liimojen formulointiin

Hielscher Ultrasonics on nesteiden ja lietteiden käsittelyyn tarkoitettujen suorituskykyisten ultraäänilaitteiden asiantuntija. Ultraäänidispergointilaitteilla voidaan käsitellä hyvin viskooseja materiaaleja, kuten runsaasti täyteaineita sisältäviä hartseja, ja varmistaa nanomateriaalien tasainen jakautuminen komposiitteihin.
Ultraääniprosessin parametrien, kuten amplitudin, energiansyötön, lämpötilan, paineen ja ajan, tarkka hallinta mahdollistaa liimojen räätälöinnin nanometrimittakaavassa.
Riippumatta siitä, edellyttääkö formulaatiosi orgaanisten vai epäorgaanisten nanotäyteaineiden, kuten nanoputkien, selluloosananokiteiden (CNC), nanokuitujen tai nanometallien, dispergointia, Hielscher Ultrasonics tarjoaa ihanteellisen ultraäänilaitteiston liimaformulaatiollesi.
Hielscher Ultrasonicsin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja ja kykenevät hajottamaan nanomateriaalien agglomeraatteja ja dispergoimaan nanomateriaaleja jopa erittäin suurissa viskositeeteissa. Jopa 200µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-käytössä.
Hielscher-ultraäänilaitteet tunnetaan laadustaan, luotettavuudestaan ja kestävyydestään. Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suorituskykyisiä ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusinta tekniikkaa edustava teknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: