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 dispersietechniek 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 diverse toepassingen wegens hun unieke eigenschappen. De dispersie van CNT's in siliciumolie kan de mechanische, thermische en elektrische eigenschappen van de resulterende materialen verbeteren. Een van die toepassingen is de vervaardiging van CNT-gedoopte polymeren voor geleidende 3D-printbare inkten, bijvoorbeeld voor de biogebaseerde additieve vervaardiging van draagbare tastsensoren, patiëntspecifieke weefselregeneratiesteigers en flexibele ECG- en EEG-elektroden.
Bovendien kunnen CNT's gedispergeerd in siliciumolie worden gebruikt als geleidende inkt in elektronische apparaten, zoals flexibele displays en sensoren. De CNT's fungeren als geleidende banen, waardoor elektrische stroom kan vloeien.

Voordelen van Ultrasone CNT/Polymeerdispersie

Ultrasoon dispergeren is een zeer efficiënte dispergeertechniek, die verschillende voordelen biedt. De voordelen van ultrasone dispersie van koolstofnanobuizen (CNT's) in polymeren zijn onder meer:

Algemeen protocol voor de ultrasone productie van CNT/PDMS composieten

Ultrasoontechniek wordt gebruikt voor de dispersie van talrijke nanomaterialen in polymeren. Een specifieke en veel gebruikte 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 daaruit voortvloeiende effecten van akoestische cavitatie gebruikt om de nanobuisjes te ontwarren en uniform te mengen tot een nanosuspensie. Sonicatie van het sonde-type is een krachtige methode om CNT's te dispergeren, omdat het intense cavitatiekrachten kan 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 gemakkelijk te bedienen.
Het dispersieproces met behulp van sonicatie van het sonde-type omvat gewoonlijk de volgende stappen:

1. Bereiding van het CNT-PDMS-mengsel: Een vooraf bepaalde hoeveelheid CNT's wordt toegevoegd aan de PDMS-matrix en wordt voorgemengd met een mechanische roerder. Interessant is dat door CNT's vooraf in een oplosmiddel te dispergeren de elektrische geleiding kan worden verhoogd. De beste resultaten worden bereikt met tetrahydrofuraan (THF), aceton of chloroform (gesorteerd op beste resultaten).
2. Sonde-type sonicatie: Het mengsel wordt onderworpen aan sonificatie met behulp van een ultrasone sonde met hoge intensiteit die ultrageluidsgolven met een frequentie van ongeveer 20 kHz genereert. Afhankelijk van het volume en de formulering wordt de sonificatie meestal gedurende enkele minuten uitgevoerd om een volledige dispersie van de CNT's te waarborgen.
3. Toezicht op de verspreiding: De dispersie van de CNT's wordt gecontroleerd met technieken als rasterelektronenmicroscopie (SEM), transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) of UV-Vis-spectroscopie. Deze technieken kunnen worden gebruikt om de verdeling van de CNTs in de PDMS-matrix te visualiseren en ervoor te zorgen dat de CNTs uniform gedispergeerd zijn.

Kortom, sonicatie van het sonde-type is een krachtige methode voor het dispergeren van CNT's in polymeren zoals PDMS vanwege het vermogen om intense cavitatiekrachten te genereren die geagglomereerde CNT's effectief kunnen opbreken en dispergeren.

Case Studies van Ultrasone Fabricage van CNT/Polymeer Composieten

De dispersie van nanobuisjes en andere op koolstof gebaseerde nanomaterialen met behulp van ultrasone trillingen is uitgebreid onderzocht en vervolgens in de industriële productie toegepast. Hieronder presenteren wij enkele onderzoeken die de uitzonderlijke efficiëntie van ultrasone nanobuisdispersie aantonen.

Ultrasone dispersie van CNTs in PDMS voor draagbare sensoren

Del Bosque et al. (2022) vergeleken malen met drie rollen en sonificatie voor hun doeltreffendheid van CNT-dispersie. Uit de analyse van de dispersieprocedure van nanodeeltjes in de polymeermatrix blijkt dat de ultrasoontechniek een hogere elektrische gevoeligheid oplevert in vergelijking met frezen met drie rollen, vanwege de grotere homogeniteit van de CNT-distributie die door de cavitatiekrachten wordt veroorzaakt. Bij het testen van verschillende CNT-beladingen bleek de percolatiedrempel van het CNT-PDMS-systeem, d.w.z. het kritische CNT-gehalte waarbij het elektrisch geleidend wordt, 0,4 wt% CNT te bedragen. Multi-Wall Carbon Nanotubes (MWCNTs) werden gedispergeerd door ultrasoonbehandeling met de Hielscher UP400ST (zie foto 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 onderstaande afbeelding.
Op basis van deze analyse werden de optimale omstandigheden voor de vervaardiging 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 de bewaking van gemiddelde rek.

Ultrasone dispersie van MWCNTs in PDMS met behulp van de ultrasoon UP400St bij verschillende sonificatietijden.
(Studie en afbeelding: ©del Bosque et al., 2022)

Hoogwaardige ultrasone dispergeerapparatuur voor CNT/Polymeer nanocomposieten

Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone sondes met hoog vermogen voor veeleisende dispergeertoepassingen in laboratoria, op werkbanken en in de industrie. Hielscher Ultrasonics-dispergeertoestellen zorgen voor efficiënte en nauwkeurige homogenisering en dispersie van nanomaterialen in oplosmiddelen, polymeren en composieten.
Met hun geavanceerde ultrasone technologie bieden deze dispergeerders een snelle en gemakkelijke oplossing voor het bereiken van een uniforme deeltjesgrootteverdeling, stabiele dispersies en/of nanodeeltjesfunctionalisering.
Door de verwerkingstijd te verkorten en het energieverbruik te minimaliseren, kunnen ultrasone sondeverspreiders de productiviteit verbeteren en de operationele kosten verlagen voor bedrijven in uiteenlopende bedrijfstakken.
Hielscher ultrasoonapparaten kunnen ook worden aangepast aan specifieke eisen, 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 sondedispersers een uitstekende investering voor laboratoria en industrieën die hun werkstromen voor de verwerking van nanomaterialen willen optimaliseren en consistente, betrouwbare resultaten willen bereiken.

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit gemaakt in Duitsland

Hielscher ultrasoonapparaten staan bekend om hun hoogste kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze ultrasoonapparaten in industriële installaties mogelijk. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden door Hielscher ultrasoontoestellen betrouwbaar aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasoontoestellen met de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn Hielscher ultrasone apparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: