Nanogeleidende lijmen voor elektronica met hoge prestaties

Ultrasone dispergeerapparaten worden gebruikt als betrouwbare meng- en maaltechniek bij de productie van lijmen met hoge prestaties voor elektronica met hoge prestaties en nano-elektronica. Bij de productie van elektronica met hoge prestaties is er veel vraag naar lijmen zoals nanogeleidende lijmen. Dergelijke lijmen met hoge prestaties worden bijvoorbeeld gebruikt als alternatieve verbindingen en kunnen tin/loodsoldeer vervangen.

Lijmen met hoge prestaties voor elektronica met hoge prestaties

Voor de productie van elektronica met hoge prestaties zijn lijmen vereist met een sterke hechting aan metaal en een hoge warmtegeleiding voor thermische ontkoppeling en isolatie. Nanodeeltjes zoals zilver, nikkel, grafeen, grafeenoxide en koolstofnanobuisjes (CNTs) worden vaak in epoxyharsen en polymeren verwerkt om de gewenste functionele eigenschappen te verkrijgen, zoals elektrische geleidbaarheid of isolatie, warmtegeleiding, treksterkte, elasticiteitsmodulus en flexibiliteit. Lijmen met hoge prestaties die voor elektronica met hoge prestaties zijn ontwikkeld, gebruiken metaalvulstoffen (zoals nanodeeltjes van zilver, goud, nikkel of koper) om elektrische geleidbaarheid te bieden. Om de buitengewone eigenschappen van deze materialen te benutten, moet hun grootte worden verkleind tot de nanoschaal. Omdat het verkleinen en dispergeren van nanodeeltjes een uitdagende taak is, is een krachtige maal- en dispergeertechnologie essentieel voor succesvolle lijmformuleringen.

Ultrasoon dispergeren biedt verschillende voordelen ten opzichte van traditionele meng- en maaltechnieken. Dankzij de betrouwbaarheid en effectiviteit heeft sonicatie zich gevestigd in de verwerking van nanomaterialen en wordt deze toegepast in elke industrie waar nanodeeltjes worden gesynthetiseerd en/of in vloeistoffen worden verwerkt. Ultrasone behandeling is daarom de ideale techniek voor de productie van nanogeleidende lijmen die nanovulstoffen bevatten, zoals nanodeeltjes, nanodraden of koolstofnanobuisjes en monolagen van grafeen (nanoplaten).
ECAs: Een prominent voorbeeld is de formulering van elektrisch geleidende lijmen (ECAs), die composieten zijn van een polymeermatrix en elektrisch geleidende vulstoffen. Om een lijm met hoge prestaties voor elektronische toepassingen te formuleren, moet een polymeerhars (bijvoorbeeld epoxy, silicone of polyimide) fysieke en mechanische functionaliteiten bieden, zoals hechting, mechanische sterkte en slagvastheid, terwijl de metaalvulstof (bijvoorbeeld nanozilver, nanogoud, nanonikkel of nanokoper) een superieure elektrische geleidbaarheid creëert. Voor lijmen met isolerende eigenschappen worden vulstoffen op basis van mineralen in het lijmcomposiet verwerkt.

Voor en na sonicatie: de groene curve toont de deeltjesgrootte vóór sonicatie, de rode curve is de deeltjesgrootteverdeling van ultrasoon gedispergeerd silica.

Ultrasone dispersie van nanomaterialen in viskeuze lijmen

Ultrasone homogenisatoren zijn zeer effectief wanneer deeltjesagglomeraten, aggregaten en zelfs primaire deeltjes betrouwbaar moeten worden verkleind. Het voordeel van ultrasone mengers is hun vermogen om deeltjes te vermalen tot kleinere deeltjes met een uniformere grootte, ongeacht of het beoogde procesresultaat deeltjes op micrometer- of nanometerschaal is. Terwijl andere technologieën, zoals mengers met mengbladen of rotor-statormengers, hogedrukhomogenisatoren, parelmolens enz., nadelen vertonen, zoals het onvermogen om uniform kleine nanodeeltjes te produceren, verontreiniging door maalmedia, verstopte spuitmonden en een hoog energieverbruik, gebruiken ultrasone dispergeerapparaten het werkingsprincipe van akoestische cavitatie. Door ultrasoon geluid opgewekte cavitatie is aantoonbaar zeer effectief en energie-efficiënt en kan zelfs zeer viskeuze materialen, zoals met nanodeeltjes gevulde pasta’s, dispergeren.

Hoe werkt ultrasoon dispergeren?

Afschuifkrachten door cavitatie en vloeistofstromen versnellen deeltjes zodat ze met elkaar botsen. Dit staat bekend als botsing tussen deeltjes. De deeltjes zelf fungeren als maalmedium, waardoor verontreiniging door maalparels en het daaropvolgende scheidingsproces, dat nodig is bij het gebruik van conventionele parelmolens, worden vermeden. Omdat de deeltjes door onderlinge botsingen bij zeer hoge snelheden tot 280m/sec uiteenspatten, werken er buitengewoon hoge krachten op de deeltjes, waardoor ze in minuscule fragmenten breken. Wrijving en erosie geven deze deeltjesfragmenten een gepolijst oppervlak en een uniforme vorm. De combinatie van afschuifkrachten en botsingen tussen deeltjes geeft ultrasone homogenisatie en dispersie een voorsprong doordat ze zeer homogene colloïdale suspensies en dispersies opleveren!
Een ander voordeel van de hoge afschuifkrachten die door ultrasoon geluid worden opgewekt, is het effect van afschuifverdunning. Zo vertonen ultrasoon bereide epoxyharsen die met geoxideerde CNTs zijn gevuld, afschuifverdunnend gedrag. Omdat afschuifverdunning de viscositeit van de vloeistof tijdelijk verlaagt, wordt de verwerking van viskeuze composieten vergemakkelijkt.

Een met hoge snelheid opgenomen reeks beelden (van a tot f) die de sonomechanische exfoliatie van een grafietvlok in water illustreert met behulp van de UP200S, een sonicator van 200W met een sonotrode van 3-mm. Pijlen geven de plaats van de splitsing (exfoliatie) aan, waarbij cavitatiebellen de spleet binnendringen.
(Onderzoek en afbeeldingen:© Tyurnina et al. 2020)

Vergelijking van verschillende nanovulstoffen gedispergeerd in verharder (ultrasone behandeling–US): (a) 0,5 wt% koolstofnanovezel (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% koolstofnanobuisje (CNT); (d) 0,5 wt% gedeeltelijk gedispergeerde CNT.
(Onderzoek en afbeelding: © Zanghellini et al., 2021)

Sonicatoren met hoog vermogen voor het formuleren van lijmen met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics is specialist op het gebied van ultrasone apparatuur met hoge prestaties voor de verwerking van vloeistoffen en slurries. Ultrasone dispergeerapparaten maken het mogelijk om zeer viskeuze materialen, zoals harsen met een hoog vulstofgehalte, te verwerken en zorgen voor een uniforme verdeling van nanomaterialen binnen composieten.
De nauwkeurige regeling van ultrasone procesparameters zoals amplitude, energietoevoer, temperatuur, druk en tijd maakt het mogelijk om lijmen op nanometerschaal op maat te maken.
Of uw formulering nu de dispersie vereist van organische of anorganische nanovulstoffen, zoals nanobuisjes, cellulose-nanokristallen (CNCs), nanovezels of nanometalen, Hielscher Ultrasonics heeft de ideale ultrasone opstelling voor uw lijmformulering.
De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren en kunnen nanomaterialen zelfs bij zeer hoge viscositeiten deagglomereren en dispergeren. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden toegepast tijdens 24/7-bedrijf.
Sonicatoren van Hielscher staan bekend om hun kwaliteit, betrouwbaarheid en robuustheid. Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op sonicatoren met hoge prestaties met de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn sonicatoren van Hielscher CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: