פיזור ננו-צינוריות פחמן בדיו להדפסה ב-3D

פיזור אחיד של CNTs בדיו להדפסה ב-3D יכול לשפר את תכונות הדיו ולאפשר יישומים חדשים בתחומים שונים. טיפול אולטרסוני באמצעות גשוש הוא טכניקת פיזור אמינה ביותר ליצירת תרחיפי ננו יציבים של CNTs בפולימרים.

פיזור יעיל ויציב של CNTs בפולימרים באמצעות סוניקציה

ננו-צינוריות פחמן (CNTs) מפוזרות לעיתים קרובות בשמני צורן ליישומים שונים בשל תכונותיהן הייחודיות. פיזור CNTs בשמני צורן יכול לשפר את התכונות המכניות, התרמיות והחשמליות של החומרים המתקבלים. יישום אחד כזה הוא ייצור פולימרים מסוממים ב-CNTs עבור דיו מוליך להדפסה ב-3D, למשל לייצור תוספתי המבוסס על חומרים ממקור ביולוגי של חיישני מגע לבישים, פיגומים להתחדשות רקמות המותאמים אישית למטופל ואלקטרודות ECG ו-EEG גמישות.
בנוסף, CNTs המפוזרות בשמני צורן יכולות לשמש כדיו מוליך בהתקנים אלקטרוניים, כגון צגים וחיישנים גמישים. ה-CNTs משמשות כנתיבי הולכה, המאפשרים זרימת זרם חשמלי.

יתרונות הפיזור האולטרסוני של CNTs בפולימרים

טיפול אולטרסוני הוא טכניקת פיזור יעילה מאוד, המציעה כמה יתרונות. יתרונות הפיזור האולטרסוני של ננו-צינוריות פחמן (CNTs) בפולימרים כוללים:

פרוטוקול כללי לייצור אולטרסוני של חומרים מרוכבים מסוג CNT/PDMS

טיפול אולטרסוני משמש לפיזור של חומרים רבים בגודל ננומטרי בפולימרים. יישום ספציפי ונפוץ הוא פיזור ננוצינוריות פחמן (CNTs) בדימתילפוליסילוקסאן (PDMS) באמצעות סוניקציה בעזרת גשושית. כדי לפזר את ננוצינוריות הפחמן במטריצת ה-PDMS, משתמשים באולטרסאונד רב-עוצמה ובהשפעות הקוויטציה האקוסטית הנובעות ממנו כדי להתיר את סבכי הננוצינוריות ולערבב אותן באופן אחיד ליצירת ננו-תרחיף. סוניקציה בעזרת גשושית היא שיטה רבת-עוצמה לפיזור ננוצינוריות פחמן בזכות יכולתה ליצור כוחות קוויטציה עזים שיכולים לפרק ולפזר ביעילות צברים של ננוצינוריות פחמן.
פיזור אולטרסוני הוא שלב עיבוד פשוט שאינו דורש טיפול מקדים או טיפול המשך ייעודי. הציוד האולטרסוני עצמו בטוח וקל לתפעול.
תהליך הפיזור באמצעות סוניקציה בעזרת גשושית כולל בדרך כלל את השלבים הבאים:

1. הכנת תערובת CNT-PDMS: כמות שנקבעה מראש של ננוצינוריות פחמן מתווספת למטריצת ה-PDMS, ומתבצע ערבוב מקדים באמצעות מערבל מכני. מעניין לציין שפיזור מקדים של ננוצינוריות הפחמן בממס עשוי להגדיל את המוליכות החשמלית. התוצאות הטובות ביותר מתקבלות באמצעות טטרהידרופוראן (THF), אצטון או כלורופורם (מסודרים לפי התוצאות הטובות ביותר).
2. סוניקציה בעזרת גשושית: התערובת עוברת סוניקציה בעזרת גשושית אולטרסונית בעוצמה גבוהה, המייצרת גלי אולטרסאונד בתדר של כ-20 kHz בדרך כלל. בהתאם לנפח ולהרכב, הסוניקציה מתבצעת בדרך כלל במשך כמה דקות כדי להבטיח פיזור מלא של ננוצינוריות הפחמן.
3. ניטור הפיזור: פיזור ננוצינוריות הפחמן מנוטר באמצעות טכניקות כגון מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת (SEM), מיקרוסקופיית אלקטרונים חודרת (TEM) או ספקטרוסקופיית UV-Vis. ניתן להשתמש בטכניקות אלה כדי להמחיש את התפלגות ננוצינוריות הפחמן בתוך מטריצת ה-PDMS ולהבטיח שננוצינוריות הפחמן מפוזרות באופן אחיד.

לסיכום, סוניקציה בעזרת גשושית היא שיטה רבת-עוצמה לפיזור ננוצינוריות פחמן בפולימרים כגון PDMS, בזכות יכולתה ליצור כוחות קוויטציה עזים שיכולים לפרק ולפזר ביעילות צברים של ננוצינוריות פחמן.

חקרי מקרה של ייצור אולטרסוני של חומרים מרוכבים מננוצינוריות פחמן ופולימרים

פיזור ננוצינוריות וננו-חומרים אחרים מבוססי פחמן באמצעות טיפול אולטרסוני בעזרת גשושית נחקר בהרחבה, ובהמשך יושם בייצור תעשייתי. להלן אנו מציגים כמה מחקרים המדגימים את היעילות יוצאת הדופן של פיזור אולטרסוני של ננוצינוריות.

פיזור אולטרסוני של ננוצינוריות פחמן ב-PDMS לחיישנים לבישים

Del Bosque ועמיתיו (2022) השוו בין טחינה בשלושה גלילים לבין סוניקציה מבחינת יעילותן בפיזור ננוצינוריות פחמן. ניתוח הליך הפיזור של ננו-חלקיקים במטריצת הפולימר מראה כי טכניקת הטיפול האולטרסוני מספקת רגישות חשמלית גבוהה יותר בהשוואה לטחינה בשלושה גלילים, בזכות האחידות הגבוהה יותר של התפלגות ננוצינוריות הפחמן הנוצרת בהשפעת כוחות הקוויטציה. בבדיקת תכולות שונות של ננוצינוריות פחמן נמצא שסף הפרקולציה של מערכת CNT-PDMS, כלומר התכולה הקריטית של ננוצינוריות פחמן שבה המערכת נעשית מוליכה חשמלית, הוא 0.4 wt% CNT. ננוצינוריות פחמן רב-דופניות (MWCNTs) פוזרו באמצעות טיפול אולטרסוני בעזרת המכשיר האולטרסוני UP400ST של Hielscher (ראו תמונה משמאל), במחזורי פולס של 0.5 ובמשרעת של 50 % במשך 2h. השפעות הפיזור האולטרסוני לאורך זמן הסוניקציה מוצגות בתמונה למטה.
על סמך ניתוח זה נבחרו תנאי הייצור המיטביים לחיישנים הלבישים: תכולה של 0.4 wt.% CNT באמצעות תהליך טיפול אולטרסוני. בהקשר זה, ניתוח התגובה החשמלית במחזורי העמסה עוקבים הראה עמידות גבוהה של החיישנים שפותחו, ללא כל נזק במעוות של 2%, 5% ו-10%, דבר ההופך חיישנים אלה לאמינים לניטור מעוות בינוני.

פיזור אולטרסוני של MWCNTs ב-PDMS באמצעות המכשיר האולטרסוני UP400St בזמני סוניקציה שונים.
(מחקר ותמונה: ©del Bosque et al., 2022)

ציוד פיזור אולטרסוני בעל ביצועים גבוהים לננו־חומרים מרוכבים של CNT/פולימר

Hielscher Ultrasonics מייצרת גשושים אולטרסוניים בהספק גבוה ליישומי פיזור תובעניים במעבדה, במערכות שולחניות ובתעשייה. מכשירי הפיזור של Hielscher Ultrasonics מספקים הומוגניזציה ופיזור יעילים ומדויקים של ננו־חומרים בממסים, בפולימרים ובחומרים מרוכבים.
הודות לטכנולוגיה האולטרסונית המתקדמת שלהם, מכשירי פיזור אלה מציעים פתרון מהיר וקל להשגת התפלגות אחידה של גודל החלקיקים, פיזורים יציבים ו/או פונקציונליזציה של ננו־חלקיקים.
באמצעות קיצור זמן העיבוד ומזעור צריכת האנרגיה, מכשירי פיזור אולטרסוניים מבוססי גשוש יכולים לשפר את הפרודוקטיביות ולהפחית את עלויות התפעול של עסקים במגוון תעשיות.
ניתן גם להתאים את המכשירים האולטרסוניים של Hielscher לדרישות ספציפיות, עם אפשרויות למגוון גדלים של גשושים, מגברי משרעת, רמות הספק ותאי זרימה, ההופכות אותם לרב־תכליתיים ולמתאימים למגוון פורמולציות ננו ונפחים.
בסך הכול, מכשירי פיזור אולטרסוניים מבוססי גשוש הם השקעה מצוינת למעבדות ולתעשיות המבקשות לייעל את תהליכי העבודה שלהן לעיבוד ננו־חומרים ולהשיג תוצאות עקביות ואמינות.

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ידועים בתקני האיכות והתכנון הגבוהים ביותר שלהם. עמידות וקלות תפעול מאפשרות שילוב חלק של המכשירים האולטרסוניים שלנו במתקנים תעשייתיים. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתמודדים באופן אמין עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו־RoHs.

הטבלה שלהלן מציגה את כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו: