Nanovodljiva ljepila za elektroniku visokih performansi
Ultrazvučni dispergatori upotrebljavaju se kao pouzdana tehnika miješanja i mljevenja u proizvodnji ljepila visokih performansi za elektroniku visokih performansi i nanoelektroniku. U proizvodnji elektronike visokih performansi velika je potražnja za ljepilima poput nanovodljivih ljepila. Takva ljepila visokih performansi upotrebljavaju se, primjerice, kao alternativni električni spojevi i mogu zamijeniti kositreno-olovni lem.
Ljepila visokih performansi za elektroniku visokih performansi
Za proizvodnju elektronike visokih performansi potrebna su ljepila s visokom prionjivošću na metale i toplinskom vodljivošću za toplinsko razdvajanje i izolaciju. Nanočestice poput srebra, nikla, grafena, grafenova oksida i ugljikovih nanocijevi (CNTs) često se ugrađuju u epoksidne smole i polimere kako bi se postigla željena funkcionalna svojstva poput električne vodljivosti ili izolacije, toplinske vodljivosti, vlačne čvrstoće, Youngova modula i fleksibilnosti. Ljepila visokih performansi razvijena za elektroniku visokih performansi upotrebljavaju metalna punila (poput nanočestica srebra, zlata, nikla ili bakra) kako bi se osigurala električna vodljivost. Kako bi se iskoristila izvanredna svojstva tih materijala, njihova se veličina mora smanjiti na nanorazinu. Budući da su smanjenje veličine i dispergiranje nanočestica zahtjevni zadaci, snažna tehnologija mljevenja i dispergiranja ključna je za uspješne formulacije ljepila.
- Električki vodljiva ljepila (ECA)
- – Izotropno vodljiva ljepila (ICA)
- – Anizotropno vodljiva ljepila (ACA)
- Nevodljiva / električki izolacijska ljepila
Industrijska instalacija ultrazvučnih dispergatora (2x UIP1000hdT) za obradu nanočestica i nanocijevi u kontinuiranom protočnom načinu rada.
Ultrazvučno dispergiranje nudi razne prednosti u usporedbi s tradicionalnim tehnikama miješanja i mljevenja. Zahvaljujući svojoj pouzdanosti i učinkovitosti, sonikacija se etablirala u obradi nanomaterijala i prisutna je u svakoj industriji u kojoj se nanočestice sintetiziraju i/ili ugrađuju u tekućine. Stoga je ultrazvučna obrada idealna tehnika za proizvodnju nanovodljivih ljepila koja sadržavaju nanopunila poput nanočestica, nanožica ili ugljikovih nanocijevi i monoslojeva grafena (nanolistova).
ECA: Istaknuti je primjer formuliranje električki vodljivih ljepila (ECA), kompozita sastavljenih od polimerne matrice i električki vodljivih punila. Kako bi se formuliralo ljepilo visokih performansi za primjenu u elektronici, polimerna smola (npr. epoksidna smola, silikon, poliimid) mora osigurati fizičke i mehaničke funkcionalnosti poput prianjanja, mehaničke čvrstoće i udarne čvrstoće, dok metalno punilo (npr. nanosrebro, nanozlato, nanonikal ili nanobakar) osigurava vrhunsku električnu vodljivost. Za ljepila s izolacijskim svojstvima u kompozit ljepila ugrađuju se punila na mineralnoj osnovi.
Prije i nakon sonikacije: zelena krivulja prikazuje veličinu čestica prije sonikacije, a crvena krivulja raspodjelu veličine čestica ultrazvučno dispergiranog silicijeva dioksida.
Ultrazvučno dispergiranje nanomaterijala u viskoznim ljepilima
Ultrazvučni homogenizatori vrlo su učinkoviti kada je potrebno pouzdano smanjiti veličinu aglomerata, agregata, pa čak i primarnih čestica. Prednost ultrazvučnih miješalica njihova je sposobnost mljevenja čestica na manje i ujednačenije veličine, bez obzira na to jesu li ciljani rezultat procesa mikročestice ili nanočestice. Dok druge tehnologije poput miješalica s lopaticama ili rotor-statorom, visokotlačnih homogenizatora, mlinova s kuglicama itd. imaju nedostatke poput nemogućnosti proizvodnje ujednačeno malih nanočestica, kontaminacije medijem za mljevenje, začepljenih mlaznica i velike potrošnje energije, ultrazvučni dispergatori rade na načelu akustične kavitacije. Dokazano je da je kavitacija izazvana ultrazvukom vrlo učinkovita, energetski učinkovita i sposobna dispergirati čak i vrlo viskozne materijale poput pasta s nanočesticama.
Nanočestice PLGA. (A): Raspodjela veličine čestica pripremljenih pri koncentraciji polimera / snazi sonikacije od 2%/ 32W, 5%/ 32W i 2%/ 25W%; vrijeme zadržavanja = 14 s. (B),(C): SEM snimke čestica pripremljenih iz 2 odnosno 5% otopina polimera. Vrijeme zadržavanja = 14s; snaga sonikacije = 32W. Mjerne crtice predstavljaju 1 mikrometar.
(Istraživanje i slike: © Freitas et al., 2006)
Kako djeluje ultrazvučno dispergiranje?
Kavitacijske smične sile i strujanja tekućine ubrzavaju čestice tako da se međusobno sudaraju. To se naziva međučestičnim sudarima. Same čestice djeluju kao medij za mljevenje, čime se izbjegavaju kontaminacija kuglicama za mljevenje i naknadni postupak odvajanja, koji je nužan pri upotrebi konvencionalnih mlinova s kuglicama. Budući da se čestice lome uslijed međučestičnih sudara pri vrlo velikim brzinama do 280m/sec, na njih djeluju iznimno velike sile, zbog čega se raspadaju u vrlo sitne fragmente. Trenje i erozija tim fragmentima čestica daju uglađenu površinu i ujednačen oblik. Kombinacija smičnih sila i međučestičnih sudara daje prednost ultrazvučnoj homogenizaciji i dispergiranju, čime se dobivaju vrlo homogene koloidne suspenzije i disperzije!
Još jedna prednost velikih smičnih sila koje stvara ultrazvuk jest učinak smičnog razrjeđivanja. Primjerice, ultrazvučno pripremljene epoksidne smole s oksidiranim ugljikovim nanocijevima (CNTs) pokazuju smično razrjeđivanje. Budući da smično razrjeđivanje privremeno smanjuje viskoznost fluida, olakšava se obrada viskoznih kompozita.
Niz kadrova snimljenih velikom brzinom (od a do f) koji prikazuje sonomehaničko raslojavanje grafitne ljuskice u vodi uređajem UP200S, ultrazvučnim uređajem snage 200W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto razdvajanja (raslojavanja), pri čemu kavitacijski mjehurići prodiru u nastalu pukotinu.
(Istraživanje i slike:© Tyurnina et al. 2020)
UIP1000hdT – Ultrazvučni stolni sustav za pripremu nanokompozita, npr. za ljepila visokih performansi.
- djelotvorna nanoobrada: učinkovita i štedi vrijeme
- prilagodljivo specifičnim formulacijama proizvoda
- ujednačena obrada
- precizna kontrola procesnih uvjeta
- ponovljivi rezultati
- troškovna učinkovitost
- siguran rad
- jednostavna instalacija, malo održavanja
- linearno povećanje opsega na bilo koji volumen
- ekološki prihvatljivo
Usporedba različitih nanopunila dispergiranih u učvršćivaču (ultrazvučna obrada – US): (a) 0,5 wt% ugljikovih nanovlakana (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% ugljikovih nanocijevi (CNT); (d) 0,5 wt% djelomično dispergiranih CNT.
(Istraživanje i slika: © Zanghellini et al., 2021)
Ultrazvučni uređaji velike snage za formuliranje ljepila visokih performansi
Hielscher Ultrasonics stručnjak je za ultrazvučnu opremu visokih performansi za obradu tekućina i suspenzija. Ultrazvučni dispergatori omogućuju obradu vrlo viskoznih materijala poput smola s visokim udjelom punila i osiguravaju ujednačenu raspodjelu nanomaterijala unutar kompozita.
Precizna kontrola parametara ultrazvučnog procesa poput amplitude, unosa energije, temperature, tlaka i vremena omogućuje prilagodbu ljepila na nanometarskoj razini.
Bez obzira na to zahtijeva li vaša formulacija dispergiranje organskih ili anorganskih nanopunila poput nanocijevi, celuloznih nanokristala (CNCs), nanovlakana ili nanometala, Hielscher Ultrasonics ima idealan ultrazvučni sustav za vašu formulaciju ljepila.
Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude te deaglomerirati i dispergirati nanomaterijale čak i pri vrlo visokim viskoznostima. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano održavati tijekom rada 24/7.
Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po svojoj kvaliteti, pouzdanosti i robusnosti. Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom i poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji se odlikuju najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnošću upotrebe. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su zahtjevima CE te ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.
Tablica u nastavku daje okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 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 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za miješanje, dispergiranje, emulgiranje i ekstrakciju u laboratorijskom, pilotnom i industrijskom mjerilu.
Literatura / Reference
- Zanghellini, B.; Knaack,P.; Schörpf, S.; Semlitsch, K.-H.; Lichtenegger, H.C.; Praher, B.; Omastova, M.; Rennhofer, H. (2021): Solvent-Free Ultrasonic Dispersion of Nanofillers in Epoxy Matrix. Polymers 2021, 13, 308.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Aradhana, Ruchi; Mohanty, Smita; Nayak, Sanjay (2019): High performance electrically conductive epoxy/reduced graphene oxide adhesives for electronics packaging applications. Journal of Materials Science: Materials in Electronics 30(4), 2019.
- A. Montazeri, M. Chitsazzadeh (2014): Effect of sonication parameters on the mechanical properties of multi-walled carbon nanotube/epoxy composites. Materials & Design Vol. 56, 2014. 500-508.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi u rasponu od laboratorijskih do industrijskih uređaja.