Dispersion de nanotubes de carbone dans des encres imprimables en 3D

Une dispersion uniforme des NTC dans les encres imprimables en 3D peut améliorer les propriétés de l'encre et permettre de nouvelles applications dans divers domaines. L'ultrasonication de type sonde est une technique de dispersion très fiable pour produire des nanosuspensions stables de NTC dans des polymères.

Dispersion efficace et stable des NTC dans les polymères grâce à la sonication

Les nanotubes de carbone (NTC) sont souvent dispersés dans des huiles de silicone pour diverses applications en raison de leurs propriétés uniques. La dispersion des NTC dans les huiles de silicone peut améliorer les propriétés mécaniques, thermiques et électriques des matériaux obtenus. L'une de ces applications est la fabrication de polymères dopés aux NTC pour des encres conductrices imprimables en 3D, par exemple pour la fabrication additive biologique de capteurs tactiles portables, d'échafaudages de régénération tissulaire spécifiques au patient et d'électrodes ECG et EEG flexibles.
En outre, les NTC dispersés dans des huiles de silicium peuvent être utilisés comme encres conductrices dans les appareils électroniques, tels que les écrans flexibles et les capteurs. Les NTC agissent comme des voies conductrices, permettant la circulation du courant électrique.

Avantages de la dispersion ultrasonique CNT/polymère

Les ultrasons sont une technique de dispersion très efficace, qui présente plusieurs avantages. Les avantages de la dispersion par ultrasons des nanotubes de carbone (NTC) dans les polymères sont les suivants :

Protocole général pour la production par ultrasons de composites CNT/PDMS

Les ultrasons sont utilisés pour la dispersion de nombreux matériaux de taille nanométrique dans les polymères. Une application spécifique et courante est la dispersion de nanotubes de carbone (NTC) dans le diméthylpolysiloxane (PDMS) à l'aide d'une sonication de type sonde. Afin de disperser les NTC dans la matrice PDMS, les ultrasons de puissance et les effets de cavitation acoustique qui en résultent sont utilisés pour démêler les nanotubes et les mélanger uniformément dans une nanosuspension. La sonication de type sonde est une méthode puissante pour disperser les NTC en raison de sa capacité à générer des forces de cavitation intenses qui peuvent briser et disperser efficacement les NTC agglomérés.
La dispersion par ultrasons est une étape de traitement simple qui ne nécessite aucun prétraitement ou post-traitement spécifique. L'équipement ultrasonique lui-même est sûr et facile à utiliser.
Le processus de dispersion à l'aide d'une sonication de type sonde comprend généralement les étapes suivantes :

1. Préparation du mélange CNT-PDMS : Une quantité prédéterminée de NTC est ajoutée à la matrice PDMS et pré-mélangée à l'aide d'un agitateur mécanique. Il est intéressant de noter qu'en prédispersant les NTC dans un solvant, la conductivité électrique peut être augmentée. Les meilleurs résultats sont obtenus avec le tétrahydrofurane (THF), l'acétone ou le chloroforme (classés selon les meilleurs résultats).
2. Sonication de type sonde : Le mélange est soumis à une sonication de type sonde à l'aide d'une sonde ultrasonique à haute intensité qui génère des ondes ultrasoniques à une fréquence typiquement d'environ 20 kHz. En fonction du volume et de la formulation, la sonication est généralement effectuée pendant plusieurs minutes afin d'assurer une dispersion complète des NTC.
3. Suivi de la dispersion : La dispersion des NTC est contrôlée à l'aide de techniques telles que la microscopie électronique à balayage (MEB), la microscopie électronique à transmission (MET) ou la spectroscopie UV-Vis. Ces techniques permettent de visualiser la distribution des NTC dans la matrice PDMS et de s'assurer que les NTC sont uniformément dispersés.

En résumé, la sonication par sonde est une méthode puissante pour disperser les NTC dans des polymères tels que le PDMS en raison de sa capacité à générer des forces de cavitation intenses qui peuvent briser et disperser efficacement les NTC agglomérés.

Études de cas sur la fabrication par ultrasons de composites NTC/polymère

La dispersion de nanotubes et d'autres nanomatériaux à base de carbone à l'aide d'ultrasons de type sonde a fait l'objet de recherches approfondies et a ensuite été mise en œuvre dans la production industrielle. Nous présentons ci-dessous quelques études de recherche qui démontrent l'efficacité exceptionnelle de la dispersion ultrasonique des nanotubes.

Dispersion ultrasonique de NTC dans du PDMS pour des capteurs portables

Del Bosque et al. (2022) ont comparé l'efficacité du broyage à trois rouleaux et de la sonication pour la dispersion des NTC. L'analyse de la procédure de dispersion des nanoparticules dans la matrice polymère montre que la technique d'ultrasonication offre une sensibilité électrique supérieure à celle du broyage à trois rouleaux en raison de la plus grande homogénéité de la distribution des NTC induite par les forces de cavitation. En testant différentes charges de NTC, le seuil de percolation du système NTC-PDMS, c'est-à-dire la teneur critique en NTC à partir de laquelle il devient électriquement conducteur, s'est avéré être de 0,4 % en poids de NTC. Les nanotubes de carbone multi-parois (MWCNT) ont été dispersés par ultrasons à l'aide de l'appareil à ultrasons Hielscher UP400ST (voir photo à gauche) à 0,5 cycle d'impulsions et 50 % d'amplitude pendant 2 heures. Les effets de la dispersion par ultrasons au cours du temps de sonication sont illustrés dans l'image ci-dessous.
Sur la base de cette analyse, les conditions optimales pour la fabrication des capteurs portables ont été sélectionnées comme étant 0,4 % en poids de NTC au moyen d'un processus d'ultrasonication. À cet égard, une analyse de la réponse électrique sous des cycles de charge consécutifs a montré une grande robustesse des capteurs développés, sans aucune présence de dommages à 2 %, 5 % et 10 % de déformation, ce qui rend ces capteurs fiables pour la surveillance des déformations moyennes.

Dispersion ultrasonique des MWCNT dans le PDMS à l'aide de l'ultrasonateur UP400St à différents temps de sonication.
(Étude et image : ©del Bosque et al., 2022)

Équipement de dispersion ultrasonique haute performance pour les nanocomposites CNT/polymère

Hielscher Ultrasonics fabrique des sondes à ultrasons de haute puissance pour des applications de dispersion exigeantes en laboratoire, sur table et dans l'industrie. Les disperseurs Hielscher Ultrasonics permettent une homogénéisation et une dispersion efficaces et précises des nanomatériaux dans les solvants, les polymères et les composites.
Grâce à leur technologie ultrasonique avancée, ces disperseurs offrent une solution rapide et facile pour obtenir une distribution uniforme de la taille des particules, des dispersions stables et/ou une fonctionnalisation des nanoparticules.
En réduisant le temps de traitement et en minimisant la consommation d'énergie, les disperseurs à sonde ultrasonique peuvent améliorer la productivité et réduire les coûts d'exploitation pour les entreprises d'un grand nombre de secteurs.
Les ultrasons Hielscher peuvent également être personnalisés pour répondre à des besoins spécifiques, avec des options pour une gamme de tailles de sondes, de cornes d'amplification, de niveaux de puissance et de cellules d'écoulement, ce qui les rend polyvalents et adaptables à divers volumes et formulations nanométriques.
Dans l'ensemble, les disperseurs à sonde ultrasonique constituent un excellent investissement pour les laboratoires et les industries qui cherchent à optimiser leurs flux de traitement des nanomatériaux et à obtenir des résultats cohérents et fiables.

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont traités de manière fiable par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :