Dispergiranje ugljikovih nanocijevi u tintama za 3D ispis

Ravnomjerna disperzija CNT-ova u tintama za 3D ispis može poboljšati svojstva tinte i omogućiti nove primjene u različitim područjima. Sonikacija sondom vrlo je pouzdana tehnika dispergiranja za proizvodnju stabilnih nanosuspenzija CNT-ova u polimerima.

Učinkovito i stabilno dispergiranje CNT-ova u polimerima zahvaljujući sonikaciji

Ugljikove nanocijevi (CNT-ovi) često se dispergiraju u uljima silicija za različite primjene zbog svojih jedinstvenih svojstava. Dispergiranje CNT-ova u uljima silicija može poboljšati mehanička, toplinska i električna svojstva dobivenih materijala. Jedna je takva primjena izrada polimera dopiranih CNT-ovima za vodljive tinte za 3D ispis, npr. za aditivnu proizvodnju na biološkoj osnovi nosivih taktilnih senzora, nosača za regeneraciju tkiva prilagođenih pojedinom pacijentu te fleksibilnih EKG i EEG elektroda.
Osim toga, CNT-ovi dispergirani u uljima silicija mogu se upotrebljavati kao vodljive tinte u elektroničkim uređajima, kao što su fleksibilni zasloni i senzori. CNT-ovi djeluju kao vodljivi putovi i omogućuju protjecanje električne struje.

Dispergiranje ugljikovih nanocijevi (CNT) u polimerima tipična je primjena ultrazvučnih sondi poput UIP1000hdT. Ultrazvučni dispergatori osiguravaju ravnomjernu raspodjelu ugljikovih nanocijevi u otapalima i polimerima, primjerice za proizvodnju tinti za 3D ispis.

Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji pouzdani su i vrlo učinkoviti sustavi za linijsko miješanje za proizvodnju nanodisperzija, npr. vodljivih nanotinti za 3D ispis za aditivnu proizvodnju.

Industrijski sustav ultrazvuka visoke snage za industrijsko dispergiranje u liniji: ultrazvučni uređaji visokih performansi pouzdani su i vrlo učinkoviti sustavi za miješanje u liniji za proizvodnju nanodisperzija, kao što su CNT-ovi u polimerima.

Prednosti ultrazvučnog dispergiranja CNT-ova u polimerima

Sonikacija je vrlo učinkovita tehnika dispergiranja koja donosi nekoliko prednosti. Prednosti ultrazvučnog dispergiranja ugljikovih nanocijevi (CNT-ova) u polimerima uključuju:

Poboljšano dispergiranje: Ultrazvučna energija može učinkovito razbiti aglomerate CNT-ova i potaknuti njihovo ravnomjerno dispergiranje u polimerima. Time nastaje homogena smjesa s poboljšanim mehaničkim svojstvima, električnom vodljivošću i toplinskom vodljivošću.

Precizna kontrola: Ultrazvučna energija omogućuje bolju kontrolu procesa dispergiranja, primjerice stupnja dispergiranosti i veličine CNT-ova. To može pomoći u postizanju željenih svojstava dobivenog nanokompozitnog materijala.

Skraćeno vrijeme obrade: Ultrazvučno dispergiranje može znatno skratiti vrijeme obrade u usporedbi s drugim metodama dispergiranja, kao što su magnetsko miješanje ili sonikacija bez zagrijavanja. To može poboljšati učinkovitost procesa i mogućnost njegova povećanja na veće razmjere.

Svestranost: Ultrazvučni dispergatori mogu obrađivati sve vrste nanočestica, uključujući nanosfere (npr. nanočestice silicijeva dioksida), nanocijevi (SWNT, MWNT), nanoplohe kao što su grafen ili borphene, funkcionalizirane nanomaterijale te nanočestice sa strukturom jezgra–ljuska. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher mogu obrađivati smjese s visokim udjelom krutih tvari i kompatibilni su sa svim otapalima i tekućinama.

Troškovna učinkovitost: Ultrazvučni dispergatori relativno su jeftina oprema za miješanje u usporedbi s mlinovima i drugim tehnikama dispergiranja. Osim toga, ultrazvučni procesori vrlo su robusni, zahtijevaju vrlo malo održavanja i vrlo su energetski učinkoviti.

Šaržna obrada i obrada u liniji: Ultrazvučno dispergiranje može se provoditi šaržno ili u kontinuiranom protoku.

Jednostavno rukovanje: Ultrazvučne sonde jednostavne su i sigurne za rukovanje. Digitalni ultrazvučni uređaji Hielscher mogu se programirati i njima se može upravljati na daljinu. Automatsko bilježenje podataka pomaže u održavanju standarda kvalitete.

Linearno povećanje razmjera: Procesi ultrazvučnog dispergiranja mogu se potpuno linearno povećati na bilo koji razmjer, što sonikaciju čini ne samo vrlo učinkovitom nego i praktično primjenjivom metodom za industrijsku proizvodnju.

Ekološka prihvatljivost: Ultrazvučno dispergiranje zelena je i ekološki prihvatljiva metoda koja omogućuje izbjegavanje ili smanjenje uporabe štetnih otapala ili kemikalija, što je čini sigurnijom i održivom opcijom za industrijske primjene.

Industrijski ultrazvučni sustav za linijske procese otapanja.

Industrijski ultrazvučni sustav za procese otapanja u liniji, npr. ravnomjerno dispergiranje ugljikovih nanocijevi u polimernim formulacijama.

U ovom videozapisu prikazujemo ultrazvučni sustav snage 2 kilovata za protočni rad u ormaru koji se može propuhivati plinom. Hielscher isporučuje ultrazvučnu opremu za gotovo sve industrije, uključujući kemijsku, farmaceutsku i kozmetičku industriju, petrokemijske procese te procese ekstrakcije otapalima. Ovaj ormar od nehrđajućeg čelika s mogućnošću propuhivanja plinom namijenjen je radu u eksplozivno ugroženim prostorima. U tu svrhu korisnik može propuhivati zabrtvljeni ormar dušikom ili svježim zrakom kako bi spriječio ulazak zapaljivih plinova ili para u ormar.

Opći protokol za ultrazvučnu proizvodnju kompozita CNT/PDMS

Ultrazvučna obrada primjenjuje se za dispergiranje brojnih materijala nanometarskih dimenzija u polimerima. Specifična i često korištena primjena jest dispergiranje ugljikovih nanocijevi (CNT) u dimetilpolisiloksanu (PDMS) sonikacijom pomoću sonde. Za dispergiranje CNT-a u PDMS matrici primjenjuju se ultrazvuk velike snage i posljedični učinci akustične kavitacije kako bi se nanocijevi rasplele i ravnomjerno umiješale u nanosuspenziju. Sonikacija pomoću sonde učinkovita je metoda dispergiranja CNT-a zahvaljujući sposobnosti stvaranja intenzivnih kavitacijskih sila koje mogu učinkovito razbiti i dispergirati aglomerirane ugljikove nanocijevi.
Ultrazvučno dispergiranje jednostavan je korak obrade koji ne zahtijeva posebnu prethodnu ni naknadnu obradu. Sama ultrazvučna oprema sigurna je i jednostavna za rukovanje.
Postupak dispergiranja sonikacijom pomoću sonde obično uključuje sljedeće korake:

Priprema smjese CNT-PDMS: Unaprijed određena količina CNT-a dodaje se u PDMS matricu te se prethodno miješa mehaničkom miješalicom. Zanimljivo je da bi se prethodnim dispergiranjem CNT-a u otapalu mogla povećati električna vodljivost. Najbolji rezultati postižu se tetrahidrofuranom (THF), acetonom ili kloroformom (navedeni redoslijedom od najboljih rezultata).
Sonikacija pomoću sonde: Smjesa se podvrgava sonikaciji pomoću ultrazvučne sonde visokog intenziteta koja stvara ultrazvučne valove frekvencije obično približno 20 kHz. Ovisno o volumenu i formulaciji, sonikacija se obično provodi nekoliko minuta kako bi se osiguralo potpuno dispergiranje CNT-a.
Praćenje dispergiranosti: Dispergiranost CNT-a prati se tehnikama kao što su pretražna elektronska mikroskopija (SEM), transmisijska elektronska mikroskopija (TEM) ili UV-Vis spektroskopija. Te se tehnike mogu primijeniti za vizualizaciju raspodjele CNT-a unutar PDMS matrice i za provjeru jesu li ugljikove nanocijevi ravnomjerno dispergirane.

Ukratko, sonikacija pomoću sonde učinkovita je metoda dispergiranja CNT-a u polimerima kao što je PDMS zahvaljujući sposobnosti stvaranja intenzivnih kavitacijskih sila koje mogu učinkovito razbiti i dispergirati aglomerirane ugljikove nanocijevi.

Ultrazvučni homogenizator za primjene dispergiranja i miješanja

Ultrazvučni homogenizator UIP1000hdT

Studije slučaja ultrazvučne proizvodnje kompozita CNT/polimer

Dispergiranje nanocijevi i drugih nanomaterijala na bazi ugljika ultrazvučnom obradom pomoću sonde opsežno je istraženo te je potom uvedeno u industrijsku proizvodnju. U nastavku predstavljamo nekoliko istraživanja koja pokazuju iznimnu učinkovitost ultrazvučnog dispergiranja nanocijevi.

Ultrazvučno dispergiranje CNT-a u PDMS-u za nosive senzore

Del Bosque i sur. (2022) usporedili su mljevenje na trovaljnom mlinu i sonikaciju s obzirom na njihovu učinkovitost dispergiranja CNT-a. Analiza postupka dispergiranja nanočestica u polimernoj matrici pokazuje da ultrazvučna obrada omogućuje veću električnu osjetljivost u usporedbi s mljevenjem na trovaljnom mlinu zbog veće homogenosti raspodjele CNT-a uzrokovane kavitacijskim silama. Ispitivanjem različitih udjela CNT-a utvrđeno je da perkolacijski prag sustava CNT-PDMS, odnosno kritični udio CNT-a pri kojem sustav postaje električki vodljiv, iznosi 0,4 wt% CNT. Višestijene ugljikove nanocijevi (MWCNT) dispergirane su ultrazvučnom obradom pomoću ultrazvučnog uređaja Hielscher UP400ST (vidi sliku lijevo) pri 0,5 impulsnih ciklusa i amplitudi od 50 % tijekom 2h. Učinci ultrazvučnog dispergiranja tijekom sonikacije prikazani su na slici u nastavku.
Na temelju te analize kao optimalni uvjeti za proizvodnju nosivih senzora odabrani su udio od 0,4 wt.% CNT i primjena ultrazvučne obrade. U tom je pogledu analiza električnog odziva tijekom uzastopnih ciklusa opterećenja pokazala visoku robusnost razvijenih senzora, bez ikakvih oštećenja pri relativnim deformacijama od 2%, 5% i 10%, što te senzore čini pouzdanima za praćenje umjerenih deformacija.

Ultrazvučno dispergiranje ugljikovih nanocijevi vrlo je učinkovito za ravnomjernu raspodjelu nanocijevi u polimernim matricama kao što je dimetilpolisiloksan (PDMS)

Ultrazvučno dispergiranje MWCNT-a u PDMS-u pomoću ultrazvučnog uređaja UP400St pri različitim trajanjima sonikacije.
(Istraživanje i slika: ©del Bosque i sur., 2022)

Visokoučinkovita oprema za ultrazvučno dispergiranje nanokompozita CNT/polimer

Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne sonde velike snage za zahtjevne primjene dispergiranja u laboratoriju, na stolnim uređajima i u industriji. Dispergatori Hielscher Ultrasonics omogućuju učinkovitu i preciznu homogenizaciju i dispergiranje nanomaterijala u otapalima, polimerima i kompozitima.
Zahvaljujući naprednoj ultrazvučnoj tehnologiji, ovi dispergatori nude brzo i jednostavno rješenje za postizanje ujednačene raspodjele veličine čestica, stabilnih disperzija i/ili funkcionalizacije nanočestica.
Skraćivanjem vremena obrade i svođenjem potrošnje energije na najmanju moguću mjeru, ultrazvučni dispergatori sa sondom mogu poboljšati produktivnost i smanjiti operativne troškove poduzeća u različitim industrijama.
Ultrazvučni uređaji Hielscher mogu se prilagoditi i posebnim zahtjevima, uz mogućnost odabira različitih veličina sondi, pojačivača amplitude, razina snage i protočnih ćelija, što ih čini svestranima i prilagodljivima različitim nanoformulacijama i volumenima.
Sveukupno, ultrazvučni dispergatori sa sondom izvrsna su investicija za laboratorije i industrije koje žele optimizirati svoje radne postupke obrade nanomaterijala i postići dosljedne, pouzdane rezultate.

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher pouzdano rade u teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na visokoučinkovite ultrazvučne uređaje s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim rukovanjem. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su zahtjevima za oznaku CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Volumen šarže	Protok	Preporučeni uređaji
0,5 do 1,5mL	nije primjenjivo	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
15 do 150L	3 do 15L/min	UIP6000hdT
nije primjenjivo	10 do 100L/min	UIP16000
nije primjenjivo	veći	skup uređaja UIP16000

Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!

Ultrazvučno dispergiranje ugljikovih nanocijevi: ultrazvučni uređaj Hielscher UP400S (400W) brzo i učinkovito dispergira i razdvaja isprepletene ugljikove nanocijevi (CNT) u pojedinačne nanocijevi.

Ultrazvučni homogenizatori s visokim smičnim silama upotrebljavaju se za laboratorijsku obradu, obradu na stolnim uređajima te pilotnu i industrijsku obradu.

Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskom, pilotnom i industrijskom mjerilu.

Povezane teme

Industrijski reaktor za miješanje nanodisperzija s pomoću ultrazvučnih sondi velike snage.

Ultrazvučni šaržni reaktor za industrijsku obradu, npr. ugradnju CNT-ova i drugih nanopunila u polimere za tinte za 3D ispis za aditivnu proizvodnju.

Literatura / reference

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.

Ultrazvučna tehnologija visokih performansi! Asortiman proizvoda Hielscher obuhvaća cijeli raspon od kompaktnog laboratorijskog ultrazvučnog uređaja preko stolnih uređaja do potpuno industrijskih ultrazvučnih sustava.

Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore u veličinama od laboratorijskih do industrijskih.