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.

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:

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

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.

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

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: