Dispersione di nanotubi di carbonio negli inchiostri stampabili in 3D

Una dispersione uniforme dei CNT negli inchiostri stampabili in 3D può migliorare le proprietà dell’inchiostro e consentire nuove applicazioni in vari settori. Il trattamento a ultrasuoni con sonda è una tecnica di dispersione altamente affidabile per produrre nanosospensioni stabili di CNT nei polimeri.

Dispersione efficiente e stabile dei CNT nei polimeri mediante sonicazione

I nanotubi di carbonio (CNT) vengono 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 produzione di polimeri drogati con CNT per inchiostri conduttivi stampabili in 3D, ad esempio per la produzione additiva a base biologica di sensori tattili indossabili, scaffold per la rigenerazione tissutale specifici per il paziente ed elettrodi flessibili per ECG ed EEG.
Inoltre, i CNT dispersi negli oli di silicio possono essere utilizzati come inchiostri conduttivi in dispositivi elettronici, quali display flessibili e sensori. I CNT fungono da percorsi conduttivi, consentendo il passaggio della corrente elettrica.

Vantaggi della dispersione a ultrasuoni di CNT nei polimeri

Il trattamento a ultrasuoni è una tecnica di dispersione molto efficiente che offre numerosi benefici. 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

Il trattamento a ultrasuoni viene utilizzato per disperdere numerosi materiali di dimensioni nanometriche nei polimeri. Un’applicazione specifica e comunemente utilizzata è la dispersione di nanotubi di carbonio (CNT) nel dimetilpolisilossano (PDMS) mediante sonicazione con sonda. Per disperdere i CNT nella matrice di PDMS, si utilizzano ultrasuoni di potenza e gli effetti della cavitazione acustica che ne derivano per districare i nanotubi e miscelarli uniformemente in una nanosospensione. La sonicazione con sonda è un metodo potente per disperdere i CNT grazie alla sua capacità di generare intense forze di cavitazione che possono disgregare e disperdere efficacemente i CNT agglomerati.
La dispersione a ultrasuoni è una semplice fase di trattamento che non richiede alcun pretrattamento o post-trattamento specifico. L’apparecchiatura a ultrasuoni stessa è sicura e facile da utilizzare.
Il processo di dispersione mediante sonicazione con sonda prevede generalmente le seguenti fasi:

1. Preparazione della miscela CNT-PDMS: Una quantità predeterminata di CNT viene aggiunta alla matrice di PDMS e premiscelata mediante un agitatore meccanico. È interessante osservare che la predispersione dei CNT in un solvente potrebbe aumentare la conducibilità elettrica. I risultati migliori si ottengono con tetraidrofurano (THF), acetone o cloroformio (elencati in ordine di risultati migliori).
2. Sonicazione con sonda: La miscela viene sottoposta a sonicazione con sonda utilizzando una sonda a ultrasuoni ad alta intensità che genera onde ultrasoniche con una frequenza tipicamente di circa 20 kHz. A seconda del volume e della formulazione, la sonicazione viene generalmente eseguita per diversi minuti per garantire la dispersione completa dei CNT.
3. Monitoraggio della dispersione: La dispersione dei CNT viene monitorata mediante 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 di PDMS e per verificare che i CNT siano dispersi uniformemente.

In sintesi, la sonicazione con 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 disgregare e disperdere efficacemente 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 trattamento a ultrasuoni con 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 a ultrasuoni dei nanotubi.

Dispersione a ultrasuoni dei CNT nel PDMS per sensori indossabili

Del Bosque et al. (2022) hanno confrontato la macinazione a tre rulli e la sonicazione in termini di efficacia della dispersione dei CNT. L’analisi della procedura di dispersione delle nanoparticelle nella matrice polimerica mostra che la tecnica a ultrasuoni offre una sensibilità elettrica maggiore rispetto alla macinazione a tre rulli, grazie alla maggiore omogeneità della distribuzione dei CNT indotta dalle forze di cavitazione. Esaminando diversi carichi di CNT, è stato riscontrato che la soglia di percolazione del sistema CNT-PDMS, ossia il contenuto critico di CNT al quale il sistema diventa elettricamente conduttivo, è pari a 0,4 wt% di CNT. I nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) sono stati dispersi mediante trattamento a ultrasuoni utilizzando il sonicatore Hielscher UP400ST (vedere l’immagine a sinistra) con cicli di impulso di 0,5 e un’ampiezza del 50 % per 2h. Gli effetti della dispersione a ultrasuoni nel corso del tempo di sonicazione sono mostrati nell’immagine sottostante.
Sulla base di questa analisi, le condizioni ottimali selezionate per la fabbricazione dei sensori indossabili prevedevano 0,4 wt.% di CNT mediante un processo a ultrasuoni. A questo proposito, un’analisi della risposta elettrica durante cicli di carico consecutivi ha mostrato un’elevata robustezza dei sensori sviluppati, senza alcun danno a deformazioni del 2%, 5% e 10%, rendendo questi sensori affidabili per il monitoraggio di deformazioni moderate.

Dispersione a ultrasuoni di MWCNT nel PDMS utilizzando il sonicatore UP400St con diversi tempi di sonicazione.
(Studio e immagine: ©del Bosque et al., 2022)

Apparecchiature di dispersione a ultrasuoni ad alte prestazioni per nanocompositi CNT/polimero

Hielscher Ultrasonics produce sonde a ultrasuoni di potenza elevata per applicazioni di dispersione impegnative in laboratorio, con apparecchiature da banco e nell’industria. I dispersori Hielscher Ultrasonics garantiscono un’omogeneizzazione e una dispersione efficienti e precise dei nanomateriali in solventi, polimeri e compositi.
Grazie alla loro avanzata tecnologia a ultrasuoni, questi dispersori 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 trattamento e minimizzando il consumo energetico, i dispersori a ultrasuoni con sonda possono migliorare la produttività e ridurre i costi operativi delle aziende in numerosi settori industriali.
I sonicatori Hielscher possono inoltre essere personalizzati per soddisfare requisiti specifici, con opzioni relative a diverse dimensioni delle sonde, amplificatori di ampiezza, livelli di potenza e celle di flusso, che li rendono versatili e adattabili a varie nanoformulazioni e volumi.
Nel complesso, i dispersori a ultrasuoni con sonda rappresentano un eccellente investimento per laboratori e industrie che desiderano ottimizzare i propri flussi di lavoro per il trattamento dei nanomateriali e ottenere risultati costanti e affidabili.

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono rinomati per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la facilità d’uso consentono un’integrazione agevole dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano in modo affidabile condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni dotati di tecnologia all’avanguardia e facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alle norme CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoHs.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: