Nano-geleidende kleefstoffen voor hoogwaardige elektronica

Ultrasone dispergeerders worden gebruikt als betrouwbare meng- en maaltechniek bij de productie van hoogwaardige kleefstoffen 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.

Hoogwaardige lijmen voor hoogwaardige elektronica

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 zijn ontwikkeld voor hoogwaardige elektronica gebruiken metaalvullers (zoals zilver-, goud-, nikkel- of kopernanodeeltjes) om voor elektrische geleiding te zorgen. Om de buitengewone eigenschappen van deze materialen te ontsluiten, moet hun omvang worden teruggebracht tot nanoschaal. Aangezien verkleining en dispersie van nanodeeltjes een uitdagende taak is, is een krachtige maal- en dispergeertechnologie de sleutel tot succesvolle lijmformules.

Ultrasoon dispergeren biedt verschillende voordelen in vergelijking met traditionele meng- en maaltechnieken. Door zijn betrouwbaarheid en doeltreffendheid is sonicatie ingeburgerd in de verwerking van nanomaterialen en komt het voor in elke industrie waar nanodeeltjes worden gesynthetiseerd en/of in vloeistoffen worden verwerkt. Ultrasoon is daarom de ideale techniek voor de productie van nanogeleidende kleefstoffen 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 krachtige lijm voor elektronische toepassingen te formuleren, moet een polymeerhars (b.v. epoxy, silicone, polyimide) zorgen voor fysische en mechanische functies zoals hechting, mechanische sterkte, slagvastheid, terwijl de metalen vulstof (b.v. nano-zilver, nano-goud, nano-nikkel of nano-koper) zorgt voor een superieur elektrisch geleidingsvermogen. Voor lijmen met isolerende eigenschappen worden minerale vulstoffen in de lijmcomposiet verwerkt.

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

Ultrasone dispersie van nanomaterialen in viskeuze kleefstoffen

Ultrasone mengers zijn zeer doeltreffend wanneer deeltjesagglomeraten, aggregaten en zelfs primaire deeltjes op betrouwbare wijze moeten worden verkleind. Het voordeel van ultrasone mengers is dat zij deeltjes kunnen verkleinen tot kleinere en meer uniforme deeltjesgrootten, of het nu gaat om micro- of nanodeeltjes. Terwijl andere technologieën zoals blad- 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. Er is aangetoond dat ultrasoon gegenereerde cavitatie zeer doeltreffend en energie-efficiënt is en zelfs zeer viskeuze materialen zoals met nanodeeltjes geladen pasta's 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 maalkorrels en het daaropvolgende scheidingsproces, dat noodzakelijk is bij het gebruik van conventionele parelmolens, wordt vermeden. Aangezien de deeltjes door botsing tussen de deeltjes uiteenvallen bij zeer hoge snelheden tot 280 m/sec, worden buitengewoon grote krachten uitgeoefend op de deeltjes, die daardoor in minuscule fracties breken. Door wrijving en erosie krijgen die deeltjesfragmenten een gepolijst oppervlak en een uniforme vorm. De combinatie van schuifkrachten en botsing tussen de deeltjes geeft ultrasone homogenisatie en dispersie het voordeel dat het zeer homogene colloïdale suspensies en dispersies oplevert!
Een ander voordeel van door ultrasoontechniek opgewekte hoge schuifkrachten is het effect van afschuiving-dunning. Ultrasoon bereide epoxyharsen gevuld met geoxideerde CNT's vertonen bijvoorbeeld afschuifverdunningsgedrag. Omdat shear-thinning de viscositeit van de vloeistof tijdelijk verlaagt, wordt de verwerking van viskeuze composieten vergemakkelijkt.

Een snelle opeenvolging (van a tot f) van beelden ter illustratie van sono-mechanische exfoliatie 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 cavitatiebelletjes die in de splitsing doordringen.
(Studie en foto's: © Tyurnina et al. 2020)

Vergelijking van verschillende nanofillers 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 hoogwaardige lijmen

Hielscher Ultrasonics is specialist als het gaat om hoogwaardige ultrasone apparatuur voor vloeistof- en slurryverwerking. Ultrasone dispergeerders maken het mogelijk om zeer viskeuze materialen te verwerken, zoals hooggevulde harsen, en zorgen voor een uniforme verdeling van nanomaterialen binnen composieten.
De nauwkeurige controle over ultrasone procesparameters zoals amplitude, energie-input, temperatuur, druk en tijd maken het mogelijk om kleefstoffen 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 nanomaterialen te deagglomereren en te dispergeren, zelfs bij zeer hoge viscositeiten. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf.
Hielscher ultrasoonapparaten staan bekend om hun kwaliteit, betrouwbaarheid en robuustheid. Hielscher Ultrasonics is een ISO gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasoontoestellen 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.
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: