3D-प्रिंट करने योग्य स्याहियों में कार्बन नैनोट्यूबों का परिक्षेपण
3D-प्रिंट करने योग्य स्याहियों में CNTs का एकसमान परिक्षेपण स्याही के गुणों को बेहतर बना सकता है और विभिन्न क्षेत्रों में नए अनुप्रयोग संभव कर सकता है। प्रोब-प्रकार का अल्ट्रासोनिकेशन पॉलिमरों में CNTs के स्थिर नैनोनिलंबन तैयार करने के लिए एक अत्यंत विश्वसनीय परिक्षेपण तकनीक है।
सोनिकेशन से पॉलिमरों में CNTs का कुशल और स्थिर परिक्षेपण
कार्बन नैनोट्यूबों (CNTs) को उनके विशिष्ट गुणों के कारण विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए अक्सर सिलिकॉन तेलों में परिक्षेपित किया जाता है। सिलिकॉन तेलों में CNTs का परिक्षेपण परिणामी सामग्रियों के यांत्रिक, तापीय और विद्युत गुणों को बेहतर बना सकता है। ऐसा ही एक अनुप्रयोग चालक 3D-प्रिंट करने योग्य स्याहियों के लिए CNT-मिश्रित पॉलिमरों का निर्माण है, उदाहरण के लिए, पहनने योग्य स्पर्श संवेदकों, रोगी-विशिष्ट ऊतक पुनर्जनन ढाँचों और लचीले ECG तथा EEG इलेक्ट्रोडों के जैव-आधारित योगात्मक विनिर्माण के लिए।
इसके अतिरिक्त, सिलिकॉन तेलों में परिक्षेपित CNTs का उपयोग लचीले डिस्प्ले और संवेदकों जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में चालक स्याहियों के रूप में किया जा सकता है। CNTs चालक मार्गों के रूप में कार्य करते हैं, जिससे विद्युत धारा प्रवाहित हो सकती है।
औद्योगिक इनलाइन परिक्षेपण के लिए औद्योगिक पावर अल्ट्रासाउंड प्रणाली: उच्च-प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिकेटर पॉलिमरों में CNTs जैसे नैनोपरिक्षेपणों के उत्पादन के लिए विश्वसनीय और अत्यधिक कुशल इनलाइन मिश्रण प्रणालियाँ हैं।
अल्ट्रासोनिक CNT/पॉलिमर परिक्षेपण के लाभ
अल्ट्रासोनिकेशन एक अत्यंत कुशल परिक्षेपण तकनीक है, जिसके कई लाभ हैं। पॉलिमरों में कार्बन नैनोट्यूबों (CNTs) के अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण के लाभों में शामिल हैं:
इनलाइन घुलन प्रक्रियाओं के लिए अल्ट्रासोनिक औद्योगिक प्रणाली, उदाहरण के लिए, पॉलिमर फ़ॉर्मूलेशनों में कार्बन नैनोट्यूबों का एकसमान परिक्षेपण।
CNT/PDMS कम्पोज़िट के अल्ट्रासोनिक उत्पादन के लिए सामान्य प्रोटोकॉल
पॉलिमरों में अनेक नैनो-आकार की सामग्रियों के परिक्षेपण के लिए अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग किया जाता है। एक विशिष्ट और आम उपयोग प्रोब-प्रकार के सोनिकेशन द्वारा डाइमेथिलपॉलीसिलोक्सेन (PDMS) में कार्बन नैनोट्यूब (CNTs) का परिक्षेपण है। PDMS मैट्रिक्स में CNTs को परिक्षेपित करने के लिए, नैनोट्यूबों की उलझन सुलझाने और उन्हें समान रूप से मिलाकर नैनोसस्पेंशन बनाने हेतु उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड और उससे उत्पन्न ध्वनिक कैविटेशन के प्रभावों का उपयोग किया जाता है। प्रोब-प्रकार का सोनिकेशन तीव्र कैविटेशन बल उत्पन्न करने की अपनी क्षमता के कारण CNTs को परिक्षेपित करने की एक शक्तिशाली विधि है। ये बल CNTs के एकत्रित गुच्छों को प्रभावी ढंग से तोड़कर उन्हें परिक्षेपित कर सकते हैं।
अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण एक सरल प्रसंस्करण चरण है, जिसमें किसी विशिष्ट पूर्व-उपचार या पश्च-उपचार की आवश्यकता नहीं होती। अल्ट्रासोनिक उपकरण स्वयं सुरक्षित है और इसे चलाना आसान है।
प्रोब-प्रकार के सोनिकेशन द्वारा परिक्षेपण की प्रक्रिया में आम तौर पर निम्नलिखित चरण शामिल होते हैं:
- CNT-PDMS मिश्रण की तैयारी: CNTs की एक पूर्वनिर्धारित मात्रा PDMS मैट्रिक्स में मिलाई जाती है और यांत्रिक विलोडक का उपयोग करके उसका पूर्व-मिश्रण किया जाता है। दिलचस्प बात यह है कि किसी विलायक में CNTs का पूर्व-परिक्षेपण करके विद्युत चालकता बढ़ाई जा सकती है। टेट्राहाइड्रोफ्यूरान (THF), एसीटोन या क्लोरोफॉर्म से सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त होते हैं (सर्वोत्तम परिणामों के क्रम में सूचीबद्ध)।
- प्रोब-प्रकार का सोनिकेशन: उच्च-तीव्रता वाले अल्ट्रासोनिक प्रोब का उपयोग करके मिश्रण का प्रोब-प्रकार का सोनिकेशन किया जाता है। यह प्रोब सामान्यतः लगभग 20 kHz आवृत्ति वाली अल्ट्रासाउंड तरंगें उत्पन्न करता है। आयतन और फॉर्मूलेशन के आधार पर, CNTs का पूर्ण परिक्षेपण सुनिश्चित करने के लिए सोनिकेशन आम तौर पर कई मिनट तक किया जाता है।
- परिक्षेपण की निगरानी: स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM), ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM) या UV-Vis स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसी तकनीकों का उपयोग करके CNTs के परिक्षेपण की निगरानी की जाती है। इन तकनीकों का उपयोग PDMS मैट्रिक्स के भीतर CNTs के वितरण को देखने और यह सुनिश्चित करने के लिए किया जा सकता है कि CNTs समान रूप से परिक्षेपित हों।
संक्षेप में, प्रोब-प्रकार का सोनिकेशन तीव्र कैविटेशन बल उत्पन्न करने की अपनी क्षमता के कारण PDMS जैसे पॉलिमरों में CNTs को परिक्षेपित करने की एक शक्तिशाली विधि है। ये बल CNTs के एकत्रित गुच्छों को प्रभावी ढंग से तोड़कर उन्हें परिक्षेपित कर सकते हैं।
CNT/पॉलिमर कंपोज़िट के अल्ट्रासोनिक निर्माण के केस अध्ययन
प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा नैनोट्यूबों और अन्य कार्बन-आधारित नैनोसामग्रियों के परिक्षेपण पर व्यापक शोध किया गया है और बाद में इसे औद्योगिक उत्पादन में लागू किया गया है। नीचे हम कुछ शोध अध्ययन प्रस्तुत करते हैं, जो अल्ट्रासोनिक नैनोट्यूब परिक्षेपण की असाधारण दक्षता दर्शाते हैं।
पहनने योग्य सेंसरों के लिए PDMS में CNTs का अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण
Del Bosque et al. (2022) ने CNT परिक्षेपण में प्रभावशीलता के संदर्भ में थ्री-रोल मिलिंग और सोनिकेशन की तुलना की। पॉलिमर मैट्रिक्स में नैनोकणों के परिक्षेपण की प्रक्रिया का विश्लेषण दर्शाता है कि कैविटेशन बलों से उत्पन्न CNT वितरण की अधिक समरूपता के कारण अल्ट्रासोनिकेशन तकनीक, थ्री-रोल मिलिंग की तुलना में अधिक विद्युत संवेदनशीलता प्रदान करती है। CNT की विभिन्न मात्राओं का परीक्षण करने पर, CNT-PDMS प्रणाली की परकोलेशन सीमा, अर्थात CNT की वह क्रांतिक मात्रा जिस पर यह विद्युत चालक बन जाती है, 0.4 wt% CNT पाई गई। बहु-भित्तीय कार्बन नैनोट्यूब (MWCNTs) को Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर UP400ST (बाईं ओर चित्र देखें) का उपयोग करके 0.5 पल्स चक्रों और 50 % आयाम पर 2h तक अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा परिक्षेपित किया गया। सोनिकेशन के समय के साथ अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण के प्रभाव नीचे दिए गए चित्र में दिखाए गए हैं।
इस विश्लेषण के आधार पर, पहनने योग्य सेंसरों के निर्माण के लिए इष्टतम स्थितियों के रूप में अल्ट्रासोनिकेशन प्रक्रिया द्वारा 0.4 wt.% CNT का चयन किया गया। इस संबंध में, लगातार भार चक्रों के तहत विद्युत प्रतिक्रिया के विश्लेषण ने विकसित सेंसरों की उच्च मजबूती दिखाई, जिसमें 2%, 5% और 10% विकृति पर किसी भी प्रकार की क्षति नहीं हुई। इससे ये सेंसर मध्यम विकृति की निगरानी के लिए विश्वसनीय बनते हैं।
सोनिकेशन के विभिन्न समयों पर अल्ट्रासोनिकेटर UP400St का उपयोग करके PDMS में MWCNTs का अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण।
(अध्ययन और चित्र: ©del Bosque et al., 2022)
CNT/पॉलिमर नैनोकम्पोज़िट के लिए उच्च-प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण उपकरण
Hielscher Ultrasonics प्रयोगशाला, बेंच-टॉप और उद्योग में चुनौतीपूर्ण परिक्षेपण अनुप्रयोगों के लिए उच्च-शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड प्रोब बनाता है। Hielscher Ultrasonics के परिक्षेपक विलायकों, पॉलिमरों और कम्पोज़िट में नैनोसामग्रियों का कुशल और सटीक समांगीकरण तथा परिक्षेपण प्रदान करते हैं।
अपनी उन्नत अल्ट्रासोनिक तकनीक से ये परिक्षेपक एकसमान कण आकार वितरण, स्थिर परिक्षेपण और/या नैनोकणों के क्रियात्मककरण को प्राप्त करने के लिए एक त्वरित और आसान समाधान प्रदान करते हैं।
प्रसंस्करण समय घटाकर और ऊर्जा खपत न्यूनतम करके, अल्ट्रासोनिक प्रोब परिक्षेपक विभिन्न उद्योगों के व्यवसायों की उत्पादकता बढ़ा सकते हैं और परिचालन लागत कम कर सकते हैं।
Hielscher अल्ट्रासोनिकेटरों को विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुरूप अनुकूलित भी किया जा सकता है। विभिन्न प्रोब आकारों, बूस्टर हॉर्नों, शक्ति स्तरों और प्रवाह सेलों के विकल्प उन्हें बहुउपयोगी तथा विभिन्न नैनो-फ़ॉर्मूलेशनों और आयतनों के अनुकूल बनाते हैं।
कुल मिलाकर, अपने नैनोसामग्री प्रसंस्करण कार्यप्रवाहों को अनुकूलित करने और सुसंगत, विश्वसनीय परिणाम प्राप्त करने की इच्छुक प्रयोगशालाओं और उद्योगों के लिए अल्ट्रासोनिक प्रोब परिक्षेपक एक उत्कृष्ट निवेश हैं।
डिज़ाइन, विनिर्माण और परामर्श – जर्मनी में निर्मित गुणवत्ता
Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर अपनी उच्चतम गुणवत्ता और डिज़ाइन मानकों के लिए प्रसिद्ध हैं। मज़बूती और आसान संचालन के कारण हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों को औद्योगिक सुविधाओं में सुगमता से एकीकृत किया जा सकता है। Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर कठोर परिस्थितियों और चुनौतीपूर्ण परिवेशों में विश्वसनीय ढंग से काम करते हैं।
Hielscher Ultrasonics एक ISO प्रमाणित कंपनी है और अत्याधुनिक तकनीक तथा उपयोगकर्ता-अनुकूलता वाले उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिकेटरों पर विशेष ज़ोर देती है। निस्संदेह, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर CE के अनुरूप हैं और UL, CSA तथा RoHs की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।
नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:
| बैच आयतन | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 0.5 से 1.5mL | n.a. | VialTweeter | 1 से 500mL | 10 से 200mL/min | UP100H |
| 10 से 2000mL | 20 से 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 से 100L | 2 से 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 से 150L | 3 से 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 से 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | अधिक | इन उपकरणों का समूह: UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics प्रयोगशाला, पायलट और औद्योगिक पैमाने पर मिश्रण अनुप्रयोगों, परिक्षेपण, पायसीकरण और निष्कर्षण के लिए उच्च-प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र बनाता है।
औद्योगिक प्रसंस्करण के लिए अल्ट्रासोनिक बैच रिएक्टर, उदाहरण के लिए एडिटिव विनिर्माण हेतु 3D-प्रिंट करने योग्य स्याहियों के लिए पॉलिमरों में CNTs और अन्य नैनोफ़िलर मिलाने के लिए।
साहित्य / संदर्भ
- 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 उच्च-प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र बनाता है, जिनके आकार प्रयोगशाला से लेकर औद्योगिक स्तर तक होते हैं।