Nano-geleidende lijmen voor hoogwaardige elektronica

Ultrasone dispergeerders worden gebruikt als betrouwbare meng- en maaltechniek bij de productie van hoogwaardige lijmen voor hoogwaardige elektronica en nano-elektronica. Bij de productie van hoogwaardige elektronica is er veel vraag naar kleefstoffen zoals nanogeleidende kleefstoffen. Dergelijke hoogwaardige lijmen worden bijvoorbeeld gebruikt als alternatieve interconnecties en kunnen tin/loodsoldeer vervangen.

Lijmen met hoge prestaties voor elektronica met hoge prestaties

Voor de productie van hoogwaardige elektronica zijn lijmen nodig met een hoge metaalhechting en warmtegeleiding voor warmteontkoppeling en isolatie. Nanodeeltjes zoals zilver, nikkel, grafeen, grafeenoxide en koolstofnanobuizen (CNT's) worden vaak verwerkt in epoxyharsen en polymeren om de gewenste functionele eigenschappen te verkrijgen, zoals elektrische geleiding of isolatie, warmtegeleiding, treksterkte, elasticiteitsmodulus en flexibiliteit. Hoogwaardige lijmen die ontwikkeld zijn voor hoogwaardige elektronica gebruiken metaalvullers (zoals zilver-, goud-, nikkel- of kopernanodeeltjes) om elektrische geleiding te bieden. Om de buitengewone eigenschappen van deze materialen te ontsluiten, moet hun grootte worden teruggebracht tot nanoschaal. Omdat het verkleinen en dispergeren van nanodeeltjes een uitdagende taak is, is een krachtige maal- en dispergeertechnologie de sleutel tot succesvolle lijmformuleringen.

Ultrasoon dispergeren biedt verschillende voordelen in vergelijking met traditionele meng- en maaltechnieken. Vanwege de betrouwbaarheid en effectiviteit is sonicatie ingeburgerd in de verwerking van nanomaterialen en is het te vinden in elke industrie waar nanodeeltjes worden gesynthetiseerd en/of in vloeistoffen worden opgenomen. Ultrasoon is daarom de ideale techniek voor de productie van nanogeleidende lijmen die nanovulstoffen bevatten zoals nanodeeltjes, nanodraden of koolstofnanobuisjes en grafeenmonolagen (nanosheets).
ECA's: Een prominent voorbeeld is de formulering van elektrisch geleidende lijmen (ECA's), die composieten zijn van een polymere matrix en elektrisch geleidende vulstoffen. Om een hoogwaardige lijm voor elektronische toepassingen te formuleren, moet een polymeerhars (bijv. epoxy, siliconen, polyimide) fysische en mechanische functies bieden, zoals adhesie, mechanische sterkte en slagvastheid, terwijl de metalen vulstof (bijv. nanozilver, nano-goud, nano-nikkel of nano-koper) zorgt voor superieure elektrische geleiding. Voor lijmen met isolerende eigenschappen worden minerale vulstoffen in de lijmcomposiet opgenomen.

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 kleefstoffen

Ultrasone homogenisatoren zijn zeer efficiënt wanneer deeltjesagglomeraten, aggregaten en zelfs primaire deeltjes op betrouwbare wijze moeten worden verkleind. Het voordeel van ultrasone mixers is dat ze deeltjes kunnen verkleinen tot kleinere en meer uniforme deeltjesgrootten, of het nu gaat om micron- of nanodeeltjes. Terwijl andere technologieën zoals schoepen- of rotor-statormengers, hogedrukhomogenisatoren, parelmolens enz. nadelen vertonen zoals het onvermogen om uniform kleine nanodeeltjes te produceren, verontreiniging door maalmedia, verstopte spuitmonden en hoog energieverbruik, maken ultrasone dispergeerders gebruik van het werkingsprincipe van akoestische cavitatie. Van ultrasoon gegenereerde cavitatie is aangetoond dat het zeer efficiënt en energiezuinig is en dat het zelfs zeer viskeuze materialen zoals pasta's gevuld met nanodeeltjes kan dispergeren.

Hoe werkt ultrasoon dispergeren?

Cavitatiekrachten en vloeistofstromen versnellen deeltjes zodat ze met elkaar in botsing komen. Dit staat bekend als botsing tussen de deeltjes. De deeltjes zelf fungeren als maalmedium, waardoor verontreiniging door maalrupsen en het daaropvolgende scheidingsproces, dat nodig is bij het gebruik van conventionele parelmolens, vermeden wordt. Aangezien de deeltjes versplinteren door botsing tussen de deeltjes bij zeer hoge snelheden tot 280 m/sec, worden er buitengewoon grote krachten uitgeoefend op de deeltjes, die daardoor in minuscule fracties breken. Wrijving en erosie geven deze deeltjesfragmenten een gepolijst oppervlak en een uniforme vorm. De combinatie van schuifkrachten en botsingen tussen de deeltjes geeft ultrasone homogenisatie en dispersie het voordeel dat het zeer homogene colloïdale suspensies en dispersies oplevert!
Een ander voordeel van hoge schuifkrachten opgewekt door ultrasonisme is het effect van afschuiving-dunning. Bijvoorbeeld, ultrasoon bereide epoxyharsen gevuld met geoxideerde CNTs vertonen afschuifverdunningsgedrag. Omdat shear-thinning de viscositeit van de vloeistof tijdelijk verlaagt, wordt het verwerken van viskeuze composieten vergemakkelijkt.

Een reeks beelden op hoge snelheid (van a tot f) ter illustratie van sonomexfoliatie van een grafietschilfer in water met behulp van de UP200S, een 200 W ultrasoonapparaat met een sonotrode van 3 mm. Pijlen tonen de plaats van splitsing (exfoliatie) met cavitatiebellen die de splitsing binnendringen.
(Studie en foto's:© Tyurnina et al. 2020)

Vergelijking van verschillende nanovulstoffen gedispergeerd in verharder (ultrasoon-US): (a) 0,5 wt% koolstofnanovezel (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% koolstofnanobuis (CNT); (d) 0,5 wt% CNT semi-gedispergeerd.
(Studie en foto: © Zanghellini et al., 2021)

Ultrasoonapparaten met hoog vermogen voor het formuleren van kleefstoffen met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics is specialist op het gebied van hoogwaardige ultrasone apparatuur voor de verwerking van vloeistoffen en slurry. Ultrasone dispergeerders maken het mogelijk om zeer viskeuze materialen zoals hooggevulde harsen te verwerken en zorgen voor een gelijkmatige verdeling van nanomaterialen in composieten.
De nauwkeurige controle over ultrasone procesparameters zoals amplitude, energie-input, temperatuur, druk en tijd maken het mogelijk om lijmen op maat te maken in het nanometerbereik.
Of uw formulering nu de dispersie vereist van organische of anorganische nanovulstoffen zoals nanobuisjes, cellulosenanokristallen (CNC's), nanovezels of nanometalen, Hielscher Ultrasonics heeft de ideale ultrasone opstelling voor uw lijmformulering.
Hielscher Ultrasonics’ industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren en zijn in staat om nanomaterialen te deagglomereren en te dispergeren, zelfs bij zeer hoge viscositeiten. Amplitudes tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in 24/7 bedrijf.
Hielscher ultrasone apparaten staan bekend om hun kwaliteit, betrouwbaarheid en robuustheid. 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: