3Dプリント可能なインクへのカーボンナノチューブの分散

3Dプリント可能なインクにCNTを均一に分散させることで、インクの特性を向上させ、さまざまな分野での新たな応用が可能になります。プローブ型超音波処理は、ポリマー中のCNTの安定なナノ懸濁液を生成するための信頼性の高い分散技術です。

超音波処理によるポリマー中の効率的で安定したCNT分散

カーボンナノチューブ(CNT)は、そのユニークな特性により、さまざまな用途でシリコンオイルに分散されることがよくあります。シリコンオイルにCNTを分散させることで、得られる材料の機械的、熱的、電気的特性を向上させることができます。 そのようなアプリケーションの1つは、ウェアラブル触覚センサー、患者固有の組織再生足場、柔軟なECGおよびEEG電極のバイオベースの積層造形など、導電性3Dプリント可能なインク用のCNTドープポリマーの製造です。
また、シリコンオイルに分散したCNTは、フレキシブルディスプレイやセンサーなどの電子デバイスへの導電性インクとして利用することができます。CNTは導電性経路として機能し、電流の流れを可能にします。

超音波CNT?ポリマー分散の利点

超音波処理は非常に効率的な分散技術であり、これにはいくつかの利点があります。ポリマー中のカーボンナノチューブ(CNT)の超音波分散の利点は次のとおりです。

CNT/PDMS複合材料の超音波製造のための一般的なプロトコル

超音波処理は、ポリマー中の多数のナノサイズの材料の分散に使用されます。特異的で一般的に使用される用途は、プローブ型超音波処理を用いたジメチルポリシロキサン(PDMS)中のカーボンナノチューブ(CNT)の分散である。CNTをPDMSマトリックスに分散させるために、パワー超音波とそれに伴う音響キャビテーションの効果を使用して、ナノチューブを解絡し、ナノ懸濁液に均一に混合します。プローブ型超音波処理は、凝集したCNTを効果的に分解および分散させることができる強力なキャビテーション力を生成する能力があるため、CNTを分散させるための強力な方法です。
超音波分散は、特定の前処理または後処理を必要としない単純な処理ステップです。超音波装置自体は安全で操作が簡単です。
プローブ型超音波処理を使用した分散のプロセスには、通常、次の手順が含まれます。

1. CNT-PDMS混合物の調製: 所定の量のCNTをPDMSマトリックスに添加し、機械式攪拌機を使用して予め混合します。 興味深いことに、CNTを溶媒にあらかじめ分散させることにより、電気伝導率を高めることができます。最良の結果は、テトラヒドロフラン(THF)、アセトン、またはクロロホルム(最良の結果でソート)によって達成されます。
2. プローブ型超音波処理: 混合物は、典型的には約20kHzの周波数の超音波を発生する高強度超音波プローブを用いてプローブ型超音波処理を受ける。容量および配合に応じて、CNTの完全な分散を確実にするために、通常、超音波処理を数分間行う。
3. 分散の監視: CNTの分散は、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、UV-Vis分光法などの技術を使用して監視されます。これらの手法を使用して、PDMSマトリックス内のCNTの分布を視覚化し、CNTが均一に分散していることを確認することができます。

要約すると、プローブ型超音波処理は、凝集したCNTを効果的に分解して分散させることができる強力なキャビテーション力を生成する能力があるため、PDMSなどのポリマーにCNTを分散させるための強力な方法です。

CNT/ポリマー複合材料の超音波作製に関するケーススタディ

プローブ型超音波処理を用いたナノチューブおよび他の炭素系ナノ材料の分散は、広く研究され、その後工業生産に実施されてきた。以下に、超音波ナノチューブ分散の優れた効率を実証するいくつかの調査研究を紹介します。

ウェアラブルセンサー用PDMSにおけるCNTの超音波分散

Del Bosque et al. (2022) は、CNT 分散の有効性について、3 ロールフライス加工と超音波処理を比較しました。ポリマーマトリックスへのナノ粒子の分散手順の分析は、超音波処理技術が、キャビテーション力によって誘発されるCNT分布のより高い均一性のために、三本ロールフライスと比較してより高い電気感度を提供することを示している。さまざまなCNT負荷を試験したところ、CNT-PDMSシステムの浸透閾値、つまり導電性になる臨界CNT含有量は0.4wt%CNTであることがわかりました。多層カーボンナノチューブ(MWCNT)は、ヒールシャー超音波装置UP400ST(左の写真を参照)を使用して超音波処理によって0.5パルスサイクルおよび50%の振幅で2時間分散させた。超音波処理時間の過程での超音波分散の効果は、下の図に示されています。
この分析に基づいて、ウェアラブルセンサーの製造に最適な条件を、超音波処理プロセスによって0.4重量%CNTとして選択した。この点で、連続的な負荷サイクル下での電気的応答の解析では、開発されたセンサの高い堅牢性が示され、2%、5%、10%のひずみで損傷が見られず、これらのセンサは中程度のひずみを監視するのに信頼性があります。

超音波装置を使用したPDMS中のMWCNTの超音波分散 UP400St 様々な超音波処理時間で。(研究と画像:©del Bosque et al., 2022)

CNT/高分子ナノコンポジット用の高性能超音波分散装置

ヒールシャー超音波は、ラボ、ベンチトップ、および業界での要求の厳しい分散アプリケーション向けの高出力超音波プローブを製造しています。ヒールシャー超音波分散機は、溶媒、ポリマーおよび複合材料中のナノ材料の効率的かつ正確な均質化および分散を提供する。
高度な超音波技術により、これらの分散器は、均一な粒度分布、安定した分散、および/またはナノ粒子の機能化を達成するための迅速かつ容易なソリューションを提供します。
処理時間を短縮し、エネルギー消費を最小限に抑えることで、超音波プローブ分散器は、さまざまな業界の企業の生産性を向上させ、運用コストを削減することができます。
ヒールシャー超音波装置はまた、プローブサイズ、ブースターホーン、電力レベル、およびフローセルの範囲のオプションを使用して、特定の要件に合わせてカスタマイズすることもでき、それらを汎用性が高く、さまざまなナノ製剤やボリュームに適応可能にします。
全体として、超音波プローブ分散器は、ナノ材料処理ワークフローを最適化し、一貫性のある信頼性の高い結果を達成しようとしている研究所や業界にとって優れた投資です。

設計・製造・コンサルティング – 品質はドイツ製

ヒールシャー超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。堅牢性と簡単な操作により、当社の超音波装置を産業施設にスムーズに統合できます。過酷な条件と要求の厳しい環境は、ヒールシャー超音波装置によって確実に処理されます。

ヒールシャー超音波はISO認定企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波装置に特に重点を置いています。もちろん、ヒールシャー超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSAおよびRoHsの要件を満たしています。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。