Adesivi nanoconduttivi per l’elettronica ad alte prestazioni

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

Adesivi ad alte prestazioni per l’elettronica ad alte prestazioni

Per la produzione di elettronica ad alte prestazioni sono necessari adesivi con elevata adesione ai metalli e conducibilità termica per il disaccoppiamento termico e l’isolamento. Nanoparticelle quali argento, nichel, grafene, ossido di grafene e nanotubi di carbonio (CNT) vengono frequentemente incorporate in resine epossidiche e polimeri per ottenere le proprietà funzionali desiderate, come conducibilità elettrica o isolamento, conducibilità termica, resistenza a trazione, modulo di Young e flessibilità. Gli adesivi ad alte prestazioni sviluppati per l’elettronica ad alte prestazioni utilizzano cariche metalliche (come nanoparticelle di argento, oro, nichel o rame) per conferire conducibilità elettrica. Per sfruttare le proprietà straordinarie di questi materiali, le loro dimensioni devono essere ridotte alla scala nanometrica. Poiché la riduzione dimensionale e la dispersione delle nanoparticelle sono operazioni complesse, una potente tecnologia di macinazione e dispersione è fondamentale per ottenere formulazioni adesive efficaci.

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 nel trattamento dei nanomateriali ed è presente in tutti i settori in cui le nanoparticelle vengono sintetizzate e/o incorporate in liquidi. La sonicazione è quindi la tecnica ideale per la produzione di adesivi nanoconduttivi contenenti nanocariche quali nanoparticelle, nanofili o nanotubi di carbonio e monostrati di grafene (nanofogli).
ECA: Un esempio significativo è la formulazione di adesivi elettricamente conduttivi (ECA), compositi costituiti da una matrice polimerica e cariche elettricamente conduttive. Per formulare un adesivo ad alte prestazioni per applicazioni elettroniche, una resina polimerica (ad esempio epossidica, siliconica o poliimmidica) deve fornire funzionalità fisiche e meccaniche come adesione, resistenza meccanica e resistenza all’urto, mentre la carica metallica (ad esempio nanoargento, nanooro, nanonichel o nanorame) conferisce una conducibilità elettrica superiore. Per gli adesivi con proprietà isolanti, nel composito adesivo vengono incorporate cariche a base minerale.

Prima e dopo la sonicazione: la curva verde mostra le dimensioni delle particelle prima della sonicazione, mentre la curva rossa rappresenta la distribuzione granulometrica della silice dispersa mediante ultrasuoni.

Dispersione a ultrasuoni di nanomateriali in adesivi viscosi

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono molto efficaci quando occorre ridurre in modo affidabile le dimensioni di agglomerati, aggregati e persino particelle primarie. Il vantaggio dei miscelatori a ultrasuoni consiste nella loro capacità di macinare le particelle fino a ottenere dimensioni più piccole e uniformi, sia che il risultato desiderato del processo siano particelle micrometriche o nanometriche. Mentre altre tecnologie, come miscelatori a pale o a rotore-statore, omogeneizzatori ad alta pressione, mulini a sfere ecc., presentano inconvenienti quali l’incapacità di produrre nanoparticelle uniformemente piccole, la contaminazione da mezzi di macinazione, l’ostruzione degli ugelli e un elevato consumo energetico, i dispersori a ultrasuoni sfruttano il principio operativo della cavitazione acustica. È stato dimostrato che la cavitazione generata dagli ultrasuoni è altamente efficace, efficiente dal punto di vista energetico e capace di disperdere anche materiali altamente viscosi, come paste caricate con nanoparticelle.

Come funziona la dispersione a ultrasuoni?

Le forze di taglio generate dalla cavitazione e i flussi di liquido accelerano le particelle, facendole collidere tra loro. Questo fenomeno è noto come collisione interparticellare. Le particelle stesse fungono da mezzo di macinazione, evitando la contaminazione da sfere di macinazione e il successivo processo di separazione, necessario quando si utilizzano mulini a sfere convenzionali. Poiché le particelle si frantumano per collisione interparticellare a velocità molto elevate, fino a 280m/sec, su di esse agiscono forze straordinariamente intense, che le riducono quindi in frammenti minuscoli. L’attrito e l’erosione conferiscono a questi frammenti una superficie levigata e una forma uniforme. La combinazione di forze di taglio e collisioni interparticellari conferisce all’omogeneizzazione e alla dispersione a ultrasuoni il vantaggio di produrre sospensioni e dispersioni colloidali altamente omogenee!
Un altro beneficio delle intense forze di taglio generate dagli ultrasuoni è l’effetto di assottigliamento al taglio. Ad esempio, le resine epossidiche preparate mediante ultrasuoni e caricate con CNT ossidati mostrano un comportamento di assottigliamento al taglio. Poiché l’assottigliamento al taglio riduce temporaneamente la viscosità del fluido, il trattamento dei compositi viscosi risulta facilitato.

Una sequenza ad alta velocità di fotogrammi (da a a f) che illustra l’esfoliazione sonomeccanica di una scaglia di grafite in acqua mediante UP200S, un sonicatore da 200W con sonotrodo da 3-mm. Le frecce indicano il punto di separazione (esfoliazione), con bolle di cavitazione che penetrano nella fessura.
(Studio e immagini:© Tyurnina et al. 2020)

Confronto tra diverse nanocariche disperse nell’indurente (sonicazione–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 parzialmente dispersi.
(Studio e immagine: © Zanghellini et al., 2021)

Sonicatori 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 sospensioni. I dispersori a ultrasuoni consentono di trattare materiali altamente viscosi, come resine con un elevato contenuto di cariche, e garantiscono la distribuzione uniforme dei nanomateriali all’interno dei compositi.
Il controllo preciso dei parametri del processo a ultrasuoni, quali ampiezza, apporto energetico, temperatura, pressione e tempo, consente di personalizzare gli adesivi su scala nanometrica.
Che la vostra formulazione richieda la dispersione di nanocariche organiche o inorganiche, come nanotubi, nanocristalli di cellulosa (CNC), nanofibre o nanometalli, Hielscher Ultrasonics dispone della configurazione a ultrasuoni ideale per la vostra formulazione adesiva.
I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher Ultrasonics possono erogare ampiezze molto elevate e sono in grado di deagglomerare e disperdere nanomateriali anche a viscosità molto elevate. È possibile mantenere facilmente ampiezze fino a 200µm in funzionamento continuo 24/7.
I sonicatori Hielscher sono riconosciuti per la loro qualità, affidabilità e robustezza. Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e dedica particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni dotati di tecnologia all’avanguardia e facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti di UL, CSA e RoHs.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: