Dispersie van koolstofnanobuizen in 3D-printbare inkten
Een uniforme dispersie van CNTs in 3D-printbare inkten kan de eigenschappen van inkt verbeteren en nieuwe toepassingen op verschillende gebieden mogelijk maken. Ultrasone sondevorming is een zeer betrouwbare dispergeertechniek om stabiele nanosuspensies van CNTs in polymeren te produceren.
Efficiënte en stabiele CNT-dispersie in polymeren door Sonicatie
Koolstofnanobuizen (CNT's) worden vaak gedispergeerd in siliciumoliën voor verschillende toepassingen omwille van hun unieke eigenschappen. De dispersie van CNT's in siliciumoliën kan de mechanische, thermische en elektrische eigenschappen van de resulterende materialen verbeteren. Een van deze toepassingen is de productie van CNT-gedoteerde polymeren voor geleidende 3D-printbare inkten, bijvoorbeeld voor de biogebaseerde additieve productie van draagbare tactiele sensoren, patiëntspecifieke weefselregeneratiesteigers en flexibele ECG- en EEG-elektroden.
Bovendien kunnen CNT's gedispergeerd in siliciumoliën worden gebruikt als geleidende inkt in elektronische apparaten, zoals flexibele displays en sensoren. De CNT's fungeren als geleidende paden, waardoor elektrische stroom kan vloeien.
Voordelen van ultrasone CNT/Polymeerdispersie
Ultrasoon dispergeren is een zeer efficiënte dispergeertechniek met verschillende voordelen. De voordelen van ultrasoon dispergeren van koolstofnanobuizen (CNT's) in polymeren zijn onder andere:

Ultrasoon industrieel systeem voor inline oplossingsprocessen, bijv. uniforme dispersie van koolstofnanobuizen in polymeerformules.
Algemeen protocol voor de ultrasone productie van CNT/PDMS composieten
Ultrasoontechniek wordt gebruikt voor de dispersie van talrijke nanomaterialen in polymeren. Een specifieke en veelgebruikte toepassing is de dispersie van koolstofnanobuizen (CNT's) in dimethylpolysiloxaan (PDMS) met behulp van sonicatie van het sonde-type. Om de CNT's in de PDMS-matrix te dispergeren, worden ultrageluid en de resulterende effecten van akoestische cavitatie gebruikt om de nanobuisjes te ontwarren en ze uniform te mengen in een nanosuspensie. Sonicatie van het sonde-type is een krachtige methode voor het dispergeren van CNT's vanwege het vermogen om intense cavitatiekrachten te genereren die geagglomereerde CNT's effectief kunnen opbreken en dispergeren.
Ultrasoon dispergeren is een eenvoudige verwerkingsstap die geen specifieke voor- of nabehandeling vereist. De ultrasone apparatuur zelf is veilig en eenvoudig te bedienen.
Het dispergeerproces met behulp van sonificatie van het sonde-type omvat gewoonlijk de volgende stappen:
- Bereiding van het CNT-PDMS mengsel: Een vooraf bepaalde hoeveelheid CNTs wordt toegevoegd aan de PDMS matrix en wordt voorgemengd met een mechanische roerder. Interessant is dat door de CNTs vooraf in een oplosmiddel te dispergeren, de elektrische geleiding verhoogd kan worden. De beste resultaten werden bereikt met tetrahydrofuraan (THF), aceton of chloroform (gesorteerd op beste resultaten).
- Sonicatie met sonde: Het mengsel wordt onderworpen aan sonificatie van het sonde-type met behulp van een ultrasone sonde met hoge intensiteit die ultrasone geluidsgolven genereert met een frequentie van meestal ongeveer 20 kHz. Afhankelijk van het volume en de formulering wordt de sonificatie meestal gedurende enkele minuten uitgevoerd om een volledige dispersie van de CNT's te garanderen.
- De verspreiding controleren: De dispersie van de CNTs wordt gecontroleerd met technieken zoals scanning elektronenmicroscopie (SEM), transmissie elektronenmicroscopie (TEM) of UV-Vis spectroscopie. Deze technieken kunnen gebruikt worden om de verdeling van de CNTs in de PDMS matrix te visualiseren en om te verzekeren dat de CNTs uniform gedispergeerd zijn.
Samengevat is sonde-type sonicatie een krachtige methode voor het dispergeren van CNTs in polymeren zoals PDMS vanwege de mogelijkheid om intense cavitatiekrachten te genereren die geagglomereerde CNTs effectief kunnen opbreken en dispergeren.
Case studies van ultrasone vervaardiging van CNT / polymeer composieten
De dispersie van nanobuisjes en andere op koolstof gebaseerde nanomaterialen met behulp van ultrasone sondevoeding is uitgebreid onderzocht en vervolgens in industriële productie geïmplementeerd. Hieronder presenteren we enkele onderzoeken die de uitzonderlijke efficiëntie van ultrasone nanobuisdispersie aantonen.
Ultrasone dispersie van CNT's in PDMS voor draagbare sensoren
Del Bosque et al. (2022) vergeleken malen met drie rollen en sonicatie voor hun effectiviteit van CNT-dispersie. De analyse van de dispersieprocedure van nanodeeltjes in de polymeermatrix laat zien dat de ultrasoontechniek een hogere elektrische gevoeligheid geeft in vergelijking met walsen met drie rollen, vanwege de grotere homogeniteit van de CNT-distributie die wordt veroorzaakt door de cavitatiekrachten. Bij het testen van verschillende CNT-beladingen bleek de percolatiedrempel van het CNT-PDMS-systeem, dat wil zeggen het kritische CNT-gehalte waarbij het elektrisch geleidend wordt, 0,4 wt% CNT te zijn. Meerwandige koolstofnanobuizen (MWCNTs) werden gedispergeerd door ultrasoonbehandeling met de Hielscher UP400ST (zie afbeelding links) bij 0,5 pulscycli en 50% amplitude gedurende 2 uur. De effecten van de ultrasone dispersie in de loop van de sonificatietijd worden getoond in de afbeelding hieronder.
Op basis van deze analyse werden de optimale omstandigheden voor de productie van de draagbare sensoren geselecteerd als 0,4 wt.% CNT door middel van een ultrasoon proces. In dit verband toonde een analyse van de elektrische respons onder opeenvolgende belastingscycli een hoge robuustheid van de ontwikkelde sensoren, zonder enige aanwezigheid van schade bij 2%, 5% en 10% rek, waardoor deze sensoren betrouwbaar zijn voor het monitoren van gemiddelde rek.

Ultrasone dispersie van MWCNTs in PDMS met de ultrasoon UP400St bij verschillende sonificatietijden.
(Studie en afbeelding: ©del Bosque et al., 2022)
Ultrasone dispergeerapparatuur met hoge prestaties voor nanocomposieten van CNT en polymeer
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone sondes met een hoog vermogen voor veeleisende dispergeertoepassingen in laboratoria, op werkbanken en in de industrie. Hielscher Ultrasonics-dispergeertoestellen zorgen voor efficiënte en nauwkeurige homogenisatie en dispersie van nanomaterialen in oplosmiddelen, polymeren en composieten.
Met hun geavanceerde ultrasone technologie bieden deze dispergeerders een snelle en eenvoudige oplossing voor het bereiken van een uniforme deeltjesgrootteverdeling, stabiele dispersies en/of nanodeeltjesfunctionalisatie.
Door de verwerkingstijd te verkorten en het energieverbruik tot een minimum te beperken, kunnen ultrasone sondedispergeerders de productiviteit verbeteren en de operationele kosten verlagen voor bedrijven in uiteenlopende industrieën.
Hielscher ultrasone machines kunnen ook worden aangepast aan specifieke vereisten, met opties voor een reeks sondegrootten, boosterhoorns, vermogensniveaus en flowcellen, waardoor ze veelzijdig zijn en kunnen worden aangepast aan verschillende nanovormingen en -volumes.
Over het geheel genomen zijn ultrasone sondedispergeerders een uitstekende investering voor laboratoria en industrieën die hun verwerkingsprocessen van nanomaterialen willen optimaliseren en consistente, betrouwbare resultaten willen behalen.
Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany
Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasone machines in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden betrouwbaar verwerkt door Hielscher ultrasoontoestellen.
Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
---|---|---|
0.5 tot 1.5mL | n.v.t. | VialTweeter | 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
15 tot 150 liter | 3 tot 15 l/min | UIP6000hdT |
n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!

Ultrasone batchreactor voor industriële verwerking, bv. opname van CNT's en andere nanovulstoffen in polymeren voor 3D-printbare inkten voor additieve productie.
Literatuur / Referenties
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
- Kim, J., Hwang, JY., Hwang, H. et al. (2018): Simple and cost-effective method of highly conductive and elastic carbon nanotube/polydimethylsiloxane composite for wearable electronics. Scientific Reports 8, 1375 (2018).
- Lima, Márcio; Andrade, Mônica; Skákalová, Viera; Bergmann, Carlos; Roth, Siegmar (2007): Dynamic percolation of carbon nanotubes in liquid medium. Journal of Materials Chemistry 17, 2007. 4846-4853.
- Shar, A., Glass, P., Park, S. H., Joung, D. (2023): 3D Printable One-Part Carbon Nanotube-Elastomer Ink for Health Monitoring Applications. Advanced Functional Materials 33, 2023.

Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.