Adesivi nano-conduttivi per l'elettronica ad alte prestazioni

I dispersori a ultrasuoni sono utilizzati come tecnica di miscelazione e macinazione affidabile nella produzione di adesivi ad alte prestazioni per l'elettronica e la nanoelettronica ad alte prestazioni. Nella produzione di elettronica ad alte prestazioni, gli adesivi come quelli nano-conduttivi sono molto richiesti. Questi adesivi ad alte prestazioni sono utilizzati, ad esempio, come interconnessioni alternative e possono sostituire le saldature a stagno/piombo.

Adesivi ad alte prestazioni per l'elettronica ad alte prestazioni

Gli adesivi nanorinforzati per applicazioni nell'elettronica ad alte prestazioni utilizzano spesso la dispersione ultrasonica per la distribuzione delle nanoparticelle.Per la produzione di elettronica ad alte prestazioni, sono necessari adesivi con elevata adesività ai metalli e conducibilità termica per il disaccoppiamento e l'isolamento dal calore. Nano-particelle come argento, nichel, grafene, ossido di grafene e nanotubi di carbonio (CNT) sono spesso incorporate in resine epossidiche e polimeri per ottenere le proprietà funzionali desiderate, come la conduttività elettrica o l'isolamento, la conduttività termica, la resistenza alla trazione, il modulo di Young e la flessibilità. Gli adesivi sviluppati per l'elettronica ad alte prestazioni utilizzano riempitivi metallici (come nanoparticelle di argento, oro, nichel o rame) per garantire la conducibilità elettrica. Per sbloccare le straordinarie proprietà di questi materiali, le loro dimensioni devono essere ridotte su scala nanometrica. Poiché la riduzione delle dimensioni e la dispersione delle nanoparticelle è un compito impegnativo, una potente tecnologia di macinazione e dispersione è fondamentale per ottenere formulazioni adesive di successo.

Dispersione a ultrasuoni per

  • Adesivi elettricamente conduttivi (ECA)
  • – Adesivi conduttivi isotropi (ICA)
  • – Adesivi conduttivi anisotropi (ACA)
  • Adesivi non conduttivi / elettricamente isolanti

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La dispersione a ultrasuoni è una tecnologia altamente efficiente per il distacco e la deagglomerazione delle nanoparticelle. Pertanto, gli ultrasuoni della Hielscher Ultrasonics sono ampiamente utilizzati nell'industria per produrre nanodispersioni su larga scala e sospensioni nano-strutturate.

Installazione industriale di dispersori a ultrasuoni (2x UIP1000hdT) per la lavorazione di nanoparticelle e nanotubi in modalità continua in linea.

Il video mostra la miscelazione e la dispersione a ultrasuoni di grafite in 250 ml di resina epossidica (Toolcraft L), utilizzando un omogeneizzatore a ultrasuoni (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature per disperdere grafite, grafene, nanotubi di carbonio, nanofili o cariche in laboratorio o in processi di produzione ad alto volume. Le applicazioni tipiche sono la dispersione di nano materiali e micro materiali durante il processo di funzionalizzazione o la dispersione in resine o polimeri.

Miscelare la resina epossidica con il riempitivo di grafite utilizzando l'omogeneizzatore a ultrasuoni UP400St (400 Watt)

La dispersione a ultrasuoni offre diversi vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali di miscelazione e macinazione. Grazie alla sua affidabilità ed efficacia, la sonicazione si è affermata nella lavorazione dei nanomateriali e può essere utilizzata in qualsiasi industria in cui le nanoparticelle vengono sintetizzate e/o incorporate nei liquidi. L'ultrasonicazione è quindi la tecnica ideale per la produzione di adesivi nano-conduttivi che contengono nano-riempitivi come nanoparticelle, nanofili o nanotubi di carbonio e monostrati di grafene (nanosheet).
ECA: Un esempio importante è la formulazione di adesivi elettricamente conduttivi (ECA), che sono compositi costituiti da una matrice polimerica e da riempitivi elettricamente conduttivi. Per formulare un adesivo ad alte prestazioni per applicazioni elettroniche, una resina polimerica (ad esempio, epossidica, siliconica, poliimmidica) deve fornire funzionalità fisiche e meccaniche come l'adesione, la resistenza meccanica e la resistenza agli urti, mentre il riempimento metallico (ad esempio, nano-argento, nano-oro, nano-nichel o nano-rame) crea una conduttività elettrica superiore. Per gli adesivi con proprietà isolanti, i riempitivi a base minerale sono incorporati nel composito adesivo.

La dispersione ad ultrasuoni si traduce in una distribuzione granulometrica molto stretta.

Prima e dopo la sonicazione: La curva verde mostra la dimensione delle particelle prima della sonicazione, la curva rossa è la distribuzione granulometrica della silice ultrasonicamente dispersa.

Dispersione a ultrasuoni di nanomateriali in adesivi viscosi

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono molto efficaci quando è necessario ridurre in modo affidabile le dimensioni di agglomerati di particelle, aggregati e persino particelle primarie. Il vantaggio dei miscelatori a ultrasuoni è la capacità di macinare le particelle fino a dimensioni più piccole e uniformi, sia che si tratti di micron che di nano-particelle. Mentre altre tecnologie, come i miscelatori a lama o a rotore-statore, gli omogeneizzatori ad alta pressione, i mulini a perle ecc. presentano inconvenienti quali l'incapacità di produrre nanoparticelle uniformemente piccole, la contaminazione da parte dei mezzi di macinazione, l'intasamento degli ugelli e l'elevato consumo energetico, i disperdenti a ultrasuoni utilizzano il principio di funzionamento della cavitazione acustica. È stato dimostrato che la cavitazione generata dagli ultrasuoni è altamente efficace, efficiente dal punto di vista energetico e in grado di disperdere anche materiali altamente viscosi come le paste caricate con nanoparticelle.

La dispersione a ultrasuoni è altamente efficiente nel disperdere e deagglomerare le nanoparticelle.

Nanoparticelle di PLGA. (A): Distribuzione dimensionale delle particelle preparate a concentrazioni di polimero/potenza di sonicazione di 2%/ 32W, 5%/ 32W e 2%/ 25W%; tempo di permanenza = 14 s. (B),(C): immagini SEM di particelle preparate da soluzioni di polimero al 2 e al 5%, rispettivamente. Tempo di permanenza = 14s; potenza di sonicazione = 32W. Le barre rappresentano 1 micron.
(Studio e immagini: © Freitas et al., 2006)

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Ultrasuonatore UP200St (200W) che disperde il nero carbone in acqua utilizzando l'1% in peso di Tween80 come tensioattivo.

Dispersione a ultrasuoni del nerofumo con l'ultrasuonatore UP200St

Come funziona la dispersione a ultrasuoni?

Le forze di taglio cavitazionali e i flussi di liquido accelerano le particelle in modo che si scontrino tra loro. Questo fenomeno è noto come collisione interparticellare. Le particelle stesse fungono da mezzo di macinazione, evitando così la contaminazione da parte delle sfere di macinazione e il successivo processo di separazione, necessario quando si utilizzano i mulini a sfere convenzionali. Poiché le particelle si frantumano per collisione interparticellare a velocità molto elevate, fino a 280 m/sec, si applicano forze straordinariamente elevate alle particelle, che si rompono quindi in frazioni minuscole. L'attrito e l'erosione conferiscono ai frammenti di particelle una superficie levigata e una forma uniforme. La combinazione di forze di taglio e collisione interparticellare conferisce all'omogeneizzazione e alla dispersione a ultrasuoni il vantaggio di produrre sospensioni e dispersioni colloidali altamente omogenee!
Un altro vantaggio delle forze di taglio elevate generate dagli ultrasuoni è l'effetto di assottigliamento al taglio. Ad esempio, le resine epossidiche preparate con gli ultrasuoni e riempite di CNT ossidati mostrano un comportamento di shear-thinning. Poiché l'assottigliamento al taglio abbassa temporaneamente la viscosità del fluido, la lavorazione di compositi viscosi è facilitata.

Esfoliazione ultrasonica del grafene in acqua

Sequenza ad alta velocità (da a a f) di fotogrammi che illustrano l'esfoliazione sono-meccanica di un fiocco di grafite in acqua utilizzando l'UP200S, un ultrasuonatore da 200W con sonotrodo da 3 mm. Le frecce mostrano il luogo della spaccatura (esfoliazione) con le bolle di cavitazione che penetrano nella spaccatura.
(Studio e immagini:© Tyurnina et al. 2020)

Setup da banco a ultrasuoni per la preparazione di nanocompositi, ad esempio per adesivi ad alte prestazioni.

UIP1000hdT – Setup da banco a ultrasuoni per la preparazione di nanocompositi, ad esempio per adesivi ad alte prestazioni.

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

Vantaggi della nanodispersione e della macinazione a ultrasuoni

  • nanotrattamento efficace: efficiente & risparmio di tempo
  • adattabile a formulazioni di prodotto specifiche
  • Elaborazione uniforme
  • condizioni di processo controllabili con precisione
  • risultati riproducibili
  • economicità
  • funzionamento sicuro
  • Installazione semplice, manutenzione ridotta
  • scalabilità lineare a qualsiasi volume
  • Rispettoso dell'ambiente
La miscelazione e la dispersione a ultrasuoni ad alta resistenza sono utilizzate per incorporare i nano-riempitivi nelle matrici polimeriche, ad esempio per la produzione di adesivi ad alte prestazioni

Confronto tra diversi nanofiller dispersi nell'indurente (ultrasuoni-US): (a) 0,5 wt% di nanofibre di carbonio (CNF); (b) 0,5 wt% di CNToxi; (c) 0,5 wt% di nanotubi di carbonio (CNT); (d) 0,5 wt% di CNT semi-dispersi.
(Studio e immagine: © Zanghellini et al., 2021)

Ultrasuonatori ad alta potenza per la formulazione di adesivi ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics è specializzata in apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni per il trattamento di liquidi e fanghi. I disperdenti a ultrasuoni consentono di lavorare materiali altamente viscosi, come le resine altamente riempite, e di garantire la distribuzione uniforme dei nanomateriali all'interno dei compositi.
Il controllo preciso dei parametri del processo a ultrasuoni, come l'ampiezza, l'energia immessa, la temperatura, la pressione e il tempo, consente di personalizzare gli adesivi nella gamma dei nanometri.
Sia che la vostra formulazione richieda la dispersione di nano-riempitivi organici o inorganici come nanotubi, nano-cristalli di cellulosa (CNC), nanofibre o nano-metalli, Hielscher Ultrasonics ha la configurazione ultrasonica ideale per la vostra formulazione adesiva.
Ultrasuoni Hielscher’ I processori industriali a ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate e sono in grado di deagglomerare e disperdere nanomateriali anche a viscosità molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24 e 7 giorni su 7.
Gli ultrasuoni Hielscher sono riconosciuti per la loro qualità, affidabilità e robustezza. Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuoni 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 batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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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.



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.