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

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.

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.

Prima e dopo la sonicazione: La curva verde mostra la dimensione delle particelle prima della sonicazione, mentre la curva rossa è la distribuzione delle dimensioni delle particelle di silice dispersa ad ultrasuoni.

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 disperditori 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.

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.

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)

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 di adesivo.
Hielscher Ultrasonics’ 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, 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 ultrasonori: