Dispersione dei nanotubi di carbonio negli inchiostri stampabili in 3D

Una dispersione uniforme di CNT negli inchiostri stampabili in 3D può migliorare le proprietà dell'inchiostro e consentire nuove applicazioni in vari campi. L'ultrasuonazione a sonda è una tecnica di dispersione altamente affidabile per produrre nanosospensioni stabili di CNT nei polimeri.

Dispersione efficiente e stabile di CNT nei polimeri grazie alla sonicazione

I nanotubi di carbonio (CNT) sono spesso dispersi in oli di silicio per varie applicazioni, grazie alle loro proprietà uniche. La dispersione dei CNT negli oli di silicio può migliorare le proprietà meccaniche, termiche ed elettriche dei materiali risultanti. Una di queste applicazioni è la fabbricazione di polimeri drogati con CNT per inchiostri conduttivi stampabili in 3D, ad esempio per la produzione additiva biobased di sensori tattili indossabili, impalcature per la rigenerazione di tessuti specifici per il paziente ed elettrodi ECG ed EEG flessibili.
Inoltre, le CNT disperse in oli di silicio possono essere utilizzate come inchiostri conduttivi in dispositivi elettronici, come display flessibili e sensori. I CNT agiscono come percorsi conduttivi, consentendo il flusso di corrente elettrica.

La dispersione di nanotubi di carbonio (CNT) nei polimeri è un'applicazione tipica delle sonde a ultrasuoni come la UIP1000hdT. I dispersori a ultrasuoni assicurano una distribuzione uniforme dei CNT in solventi e polimeri, ad esempio per la fabbricazione di inchiostri stampabili in 3D.

Dispersione di CNT in polietilenglicole (PEG) - Hielscher Ultrasonics

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Gli ultrasuonatori ad alte prestazioni sono sistemi di miscelazione in linea affidabili e altamente efficienti per la produzione di nanodispersioni, ad esempio nanoinchiostri conduttivi stampabili in 3D per la produzione additiva.

Sistema a ultrasuoni di potenza per la dispersione industriale in linea: Gli ultrasuonatori ad alte prestazioni sono sistemi di miscelazione in linea affidabili e altamente efficienti per la produzione di nanodispersioni come le CNT nei polimeri.

Vantaggi della dispersione a ultrasuoni di CNT e polimeri

L'ultrasuonoterapia è una tecnica di dispersione molto efficiente, che presenta diversi vantaggi. I vantaggi della dispersione a ultrasuoni dei nanotubi di carbonio (CNT) nei polimeri includono:

  • Dispersione migliorata: L'energia ultrasonica può rompere efficacemente gli agglomerati di CNT e promuovere la loro dispersione uniforme nei polimeri. Il risultato è una miscela omogenea con migliori proprietà meccaniche, conducibilità elettrica e termica.
  • Controllo preciso: L'energia ultrasonica consente di controllare meglio il processo di dispersione, come il grado di dispersione e le dimensioni delle CNT. Ciò può contribuire a ottenere le proprietà desiderate del materiale nanocomposito risultante.
  • Riduzione dei tempi di elaborazione: La dispersione a ultrasuoni può ridurre significativamente il tempo di lavorazione rispetto ad altri metodi di dispersione, come l'agitazione magnetica o la sonicazione senza calore. Ciò può migliorare l'efficienza e la scalabilità del processo.
  • Versatilità: I dispersori a ultrasuoni possono trattare qualsiasi tipo di nanoparticelle, comprese le nanosfere (ad esempio, la nano-silice), i nanotubi (SWNT, MWNT), i nanosheet come il grafene o il borfene, i nanomateriali funzionalizzati e le nanoparticelle core-shell. Naturalmente, gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire carichi solidi elevati e sono compatibili con qualsiasi solvente e liquido.
  • Efficiente dal punto di vista dei costi: I dispersori a ultrasuoni sono un'apparecchiatura di miscelazione relativamente economica rispetto ai mulini e ad altre tecniche di dispersione. Inoltre, i processori a ultrasuoni sono molto robusti, richiedono poca manutenzione e sono molto efficienti dal punto di vista energetico.
  • Elaborazione batch e in linea: La dispersione a ultrasuoni può essere eseguita in modalità batch o a flusso continuo.
  • Funzionamento semplice: Le sonde a ultrasuoni sono semplici e sicure da utilizzare. Gli ultrasuoni digitali Hielscher sono programmabili e possono essere controllati a distanza. La registrazione automatica dei dati aiuta a mantenere gli standard di qualità.
  • Scalabilità lineare: I processi di dispersione a ultrasuoni possono essere scalati in modo completamente lineare a qualsiasi dimensione, il che rende la sonicazione non solo un metodo di fabbricazione altamente efficiente, ma anche praticabile per la produzione industriale.
  • Rispettoso dell'ambiente: La dispersione a ultrasuoni è un metodo ecologico e rispettoso dell'ambiente che consente di evitare o ridurre l'uso di solventi o sostanze chimiche nocive, rendendolo un'opzione più sicura e sostenibile per le applicazioni industriali.
  • Sistema industriale a ultrasuoni per processi di dissoluzione in linea.

    Sistema industriale a ultrasuoni per processi di dissoluzione in linea, ad esempio per la dispersione uniforme di nanotubi di carbonio in formulazioni polimeriche.

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    In questo video vi mostriamo un sistema a ultrasuoni da 2 kilowatt per il funzionamento in linea in un armadio spurgabile. Hielscher fornisce apparecchiature a ultrasuoni a quasi tutti i settori industriali, come l'industria chimica, farmaceutica, cosmetica, petrolchimica e per i processi di estrazione con solventi. Questo armadio in acciaio inox spurgabile è progettato per il funzionamento in aree pericolose. A tale scopo, l'armadio sigillato può essere spurgato dal cliente con azoto o aria fresca per evitare che gas o vapori infiammabili entrino nell'armadio.

    2x Ultrasuonatori da 1000 Watt in armadio spurgabile per l'installazione in aree pericolose

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    Protocollo generale per la produzione a ultrasuoni di compositi CNT/PDMS

    L'ultrasuonoterapia è utilizzata per la dispersione di numerosi materiali di dimensioni nanometriche nei polimeri. Un'applicazione specifica e comunemente utilizzata è la dispersione dei nanotubi di carbonio (CNT) nel dimetilpolisilossano (PDMS) mediante sonicazione a sonda. Per disperdere i CNT nella matrice PDMS, si utilizzano gli ultrasuoni di potenza e i conseguenti effetti di cavitazione acustica per districare i nanotubi e mescolarli uniformemente in una nanosospensione. La sonicazione a sonda è un metodo potente per disperdere i CNT grazie alla sua capacità di generare intense forze di cavitazione che possono efficacemente rompere e disperdere i CNT agglomerati.
    La dispersione a ultrasuoni è una fase di lavorazione semplice che non richiede alcun pre o post-trattamento specifico. L'apparecchiatura a ultrasuoni è sicura e facile da usare.
    Il processo di dispersione mediante sonicazione a sonda prevede in genere le seguenti fasi:

    1. Preparazione della miscela CNT-PDMS: Una quantità predeterminata di CNT viene aggiunta alla matrice PDMS e premiscelata con un agitatore meccanico. È interessante notare che la pre-dispersione dei CNT in un solvente può aumentare la conduttività elettrica. I risultati migliori si ottengono con tetraidrofurano (THF), acetone o cloroformio (in ordine di importanza).
    2. Sonicazione a sonda: La miscela viene sottoposta a sonicazione a sonda utilizzando una sonda a ultrasuoni ad alta intensità che genera onde ultrasonore con una frequenza tipica di circa 20 kHz. A seconda del volume e della formulazione, la sonicazione viene in genere effettuata per diversi minuti per garantire la completa dispersione dei CNT.
    3. Monitoraggio della dispersione: La dispersione dei CNT viene monitorata con tecniche quali la microscopia elettronica a scansione (SEM), la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) o la spettroscopia UV-Vis. Queste tecniche possono essere utilizzate per visualizzare la distribuzione dei CNT all'interno della matrice PDMS e per garantire che i CNT siano dispersi in modo uniforme.

    In sintesi, la sonicazione a sonda è un metodo potente per disperdere i CNT in polimeri come il PDMS, grazie alla sua capacità di generare intense forze di cavitazione che possono efficacemente rompere e disperdere i CNT agglomerati.

    Casi di studio sulla fabbricazione a ultrasuoni di compositi CNT/polimero

    La dispersione di nanotubi e altri nanomateriali a base di carbonio mediante ultrasuoni a sonda è stata ampiamente studiata e successivamente implementata nella produzione industriale. Di seguito presentiamo alcuni studi di ricerca che dimostrano l'eccezionale efficienza della dispersione di nanotubi mediante ultrasuoni.

    Dispersione ultrasonica di CNT in PDMS per sensori indossabili

    Omogeneizzatore a sonda ultrasonica UP400St per la dispersione e la sintesi di nanocompositi.Del Bosque et al. (2022) hanno confrontato la fresatura a tre rulli e la sonicazione per la loro efficacia nella dispersione dei CNT. L'analisi della procedura di dispersione delle nanoparticelle nella matrice polimerica mostra che la tecnica di ultrasuoni fornisce una maggiore sensibilità elettrica rispetto alla fresatura a tre rulli, grazie alla maggiore omogeneità della distribuzione dei CNT indotta dalle forze di cavitazione. Testando vari carichi di CNT, la soglia di percolazione del sistema CNT-PDMS, cioè il contenuto critico di CNT in cui diventa elettricamente conduttivo, è risultata pari a 0,4 wt% di CNT. I nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) sono stati dispersi mediante ultrasuoni utilizzando l'ultrasuonatore Hielscher UP400ST (vedi foto a sinistra) a 0,5 cicli di impulsi e 50% di ampiezza per 2 ore. Gli effetti della dispersione a ultrasuoni nel corso del tempo di sonicazione sono mostrati nella figura seguente.
    Sulla base di questa analisi, sono state selezionate le condizioni ottimali per la produzione dei sensori indossabili, pari allo 0,4% in peso di CNT, mediante un processo di ultrasonorizzazione. A questo proposito, l'analisi della risposta elettrica sotto cicli di carico consecutivi ha mostrato un'elevata robustezza dei sensori sviluppati, senza alcuna presenza di danni al 2%, 5% e 10% di deformazione, il che rende questi sensori affidabili per il monitoraggio delle medie deformazioni.

    La dispersione ultrasonica di nanotubi di carbonio è altamente efficiente per distribuire uniformemente i nanotubi in matrici polimeriche come il dimetilpolisilossano (PDMS)

    Dispersione ultrasonica di MWCNTs in PDMS utilizzando l'ultrasuonatore UP400St a vari tempi di sonicazione.
    (Studio e immagine: ©del Bosque et al., 2022)

    Apparecchiatura di dispersione a ultrasuoni ad alte prestazioni per nanocompositi CNT/polimeri

    L'Ultrasuonatore UIP2000hdT è un omogeneizzatore mobile in testa per numerose applicazioni con liquidi e solidi-liquidi.Hielscher Ultrasonics produce sonde a ultrasuoni ad alta potenza per applicazioni di dispersione complesse in laboratorio, su banco e nell'industria. I dispersori di Hielscher Ultrasonics garantiscono un'omogeneizzazione e una dispersione efficiente e precisa di nanomateriali in solventi, polimeri e compositi.
    Grazie alla loro avanzata tecnologia a ultrasuoni, questi disperdenti offrono una soluzione rapida e semplice per ottenere una distribuzione uniforme delle dimensioni delle particelle, dispersioni stabili e/o la funzionalizzazione delle nanoparticelle.
    Riducendo i tempi di lavorazione e il consumo energetico, i dispersori a sonda ultrasonica possono migliorare la produttività e ridurre i costi operativi per le aziende di diversi settori.
    Gli ultrasuonatori Hielscher possono anche essere personalizzati per soddisfare requisiti specifici, con opzioni per una gamma di dimensioni della sonda, corna di richiamo, livelli di potenza e celle di flusso, rendendoli versatili e adattabili a varie nano-formulazioni e volumi.
    Nel complesso, i dispersori a sonda a ultrasuoni sono un ottimo investimento per i laboratori e le industrie che desiderano ottimizzare i flussi di lavoro per la lavorazione dei nanomateriali e ottenere risultati coerenti e affidabili.

    Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

    Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire in modo affidabile condizioni difficili e ambienti impegnativi.

    Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.

    La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

    Volume di batchPortataDispositivi raccomandati
    0,5-1,5 mLn.a.VialTweeter
    1 - 500mL10 - 200mL/minUP100H
    10 - 2000mL20 - 400mL/minUP200Ht, UP400St
    0,1 - 20L0,2 - 4L/minUIP2000hdT
    10 - 100L2 - 10L/minUIP4000hdT
    Da 15 a 150LDa 3 a 15L/minUIP6000hdT
    n.a.10 - 100L/minUIP16000
    n.a.più grandecluster di UIP16000

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    Dispersione ad ultrasuoni di nanotubi di carbonio: L'ecografo Hielscher UP400S (400W) disperde e distrugge i CNT in modo rapido ed efficiente in singoli nanotubi.

    Dispersione di nanotubi di carbonio in acqua con l'UP400S

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    Gli omogeneizzatori a ultrasuoni ad alto potere di taglio sono utilizzati in laboratorio, su banco, in processi pilota e industriali.

    Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.



    Reattore di miscelazione industriale per nano-dispersioni con sonde a ultrasuoni ad alta potenza.

    Reattore batch a ultrasuoni per la lavorazione industriale, ad esempio per incorporare CNT e altri nanofiller in polimeri per inchiostri stampabili in 3D per la fabbricazione additiva.


    Letteratura / Referenze


    Ultrasuoni ad alte prestazioni! La gamma di prodotti Hielscher copre l'intero spettro, dagli ultrasuoni da laboratorio compatti alle unità da banco fino ai sistemi a ultrasuoni industriali completi.

    Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensione industriale.


    Saremo lieti di discutere il vostro processo.

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