Dyspersja nanorurek węglowych w atramentach do druku 3D

Jednolita dyspersja CNT w tuszach do druku 3D może poprawić właściwości tuszu i umożliwić nowe zastosowania w różnych dziedzinach. Ultradźwięki typu sondowego są wysoce niezawodną techniką dyspergującą do wytwarzania stabilnych nanozawiesin CNT w polimerach.

Skuteczna i stabilna dyspersja CNT w polimerach dzięki sonikacji

Nanorurki węglowe (CNT) są często dyspergowane w olejach silikonowych do różnych zastosowań ze względu na ich unikalne właściwości. Dyspersja CNT w olejach silikonowych może poprawić właściwości mechaniczne, termiczne i elektryczne otrzymanych materiałów. Jednym z takich zastosowań jest wytwarzanie polimerów z domieszką CNT do przewodzących atramentów nadających się do druku 3D, np. do produkcji dodatków biologicznych do noszenia czujników dotykowych, rusztowań do regeneracji tkanek specyficznych dla pacjenta oraz elastycznych elektrod EKG i EEG.
Ponadto, CNT zdyspergowane w olejach krzemowych mogą być stosowane jako przewodzące farby w urządzeniach elektronicznych, takich jak elastyczne wyświetlacze i czujniki. CNT działają jak ścieżki przewodzące, umożliwiając przepływ prądu elektrycznego.

Zalety ultradźwiękowej dyspersji CNT/polimeru

Ultradźwięki są bardzo skuteczną techniką dyspergowania, która ma kilka zalet. Zalety ultradźwiękowego rozpraszania nanorurek węglowych (CNT) w polimerach obejmują:

Ogólny protokół dla ultradźwiękowej produkcji kompozytów CNT/PDMS

Ultradźwięki są stosowane do dyspersji wielu materiałów o rozmiarach nano w polimerach. Specyficznym i powszechnie stosowanym zastosowaniem jest dyspersja nanorurek węglowych (CNT) w dimetylopolisiloksanie (PDMS) przy użyciu sonikacji typu sondy. W celu zdyspergowania CNT w matrycy PDMS, ultradźwięki mocy i wynikające z nich efekty kawitacji akustycznej są wykorzystywane do rozplątywania nanorurek i równomiernego mieszania ich w nanozawiesinę. Sonikacja sondą jest skuteczną metodą dyspergowania CNT ze względu na jej zdolność do generowania intensywnych sił kawitacyjnych, które mogą skutecznie rozbijać i rozpraszać aglomerowane CNT.
Dyspergowanie ultradźwiękowe jest prostym etapem przetwarzania, który nie wymaga specjalnej obróbki wstępnej lub końcowej. Sam sprzęt ultradźwiękowy jest bezpieczny i łatwy w obsłudze.
Proces dyspersji przy użyciu sonikacji typu sondy zazwyczaj obejmuje następujące etapy:

1. Przygotowanie mieszaniny CNT-PDMS: Z góry określona ilość CNT jest dodawana do matrycy PDMS i wstępnie mieszana za pomocą mieszadła mechanicznego. Co ciekawe, poprzez wstępne rozproszenie CNT w rozpuszczalniku można zwiększyć przewodnictwo elektryczne. Najlepsze wyniki uzyskano stosując tetrahydrofuran (THF), aceton lub chloroform (posortowane według najlepszych wyników).
2. Sonikacja typu sondowego: Mieszaninę poddaje się sonikacji za pomocą sondy ultradźwiękowej o wysokiej intensywności, która generuje fale ultradźwiękowe o częstotliwości zwykle około 20 kHz. W zależności od objętości i składu, sonikacja jest zwykle przeprowadzana przez kilka minut, aby zapewnić całkowitą dyspersję CNT.
3. Monitorowanie rozproszenia: Dyspersja CNT jest monitorowana przy użyciu technik takich jak skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM), transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) lub spektroskopia UV-Vis. Techniki te można wykorzystać do wizualizacji rozmieszczenia CNT w matrycy PDMS i zapewnienia, że CNT są równomiernie rozproszone.

Podsumowując, sonikacja typu sondowego jest skuteczną metodą dyspergowania CNT w polimerach takich jak PDMS ze względu na jej zdolność do generowania intensywnych sił kawitacyjnych, które mogą skutecznie rozbijać i rozpraszać aglomerowane CNT.

Studia przypadków ultradźwiękowej produkcji kompozytów CNT/Polimer

Dyspersja nanorurek i innych nanomateriałów na bazie węgla za pomocą ultradźwięków typu sondowego była szeroko badana, a następnie została wdrożona do produkcji przemysłowej. Poniżej przedstawiamy kilka badań, które pokazują wyjątkową skuteczność ultradźwiękowej dyspersji nanorurek.

Ultradźwiękowa dyspersja CNT w PDMS dla czujników do noszenia

Del Bosque et al. (2022) porównali frezowanie trójwalcowe i sonikację pod kątem skuteczności dyspersji CNT. Analiza procedury dyspersji nanocząstek w matrycy polimerowej pokazuje, że technika ultradźwiękowa zapewnia wyższą czułość elektryczną w porównaniu z frezowaniem trójwalcowym ze względu na wyższą jednorodność rozkładu CNT wywołaną siłami kawitacyjnymi. Testując różne obciążenia CNT, stwierdzono, że próg perkolacji układu CNT-PDMS, czyli krytyczna zawartość CNT, w której staje się on elektrycznie przewodzący, wynosi 0,4% wagowych CNT. Wielościenne nanorurki węglowe (MWCNT) zdyspergowano za pomocą ultradźwięków przy użyciu ultrasonografu Hielscher UP400ST (patrz zdjęcie po lewej) przy 0,5 cyklu impulsów i 50% amplitudzie przez 2 godziny. Efekty ultradźwiękowego rozpraszania w trakcie czasu sonikacji pokazano na poniższym rysunku.
Na podstawie tej analizy wybrano optymalne warunki do produkcji czujników do noszenia jako 0,4% wag. CNT za pomocą procesu ultradźwiękowego. W związku z tym analiza odpowiedzi elektrycznej w kolejnych cyklach obciążenia wykazała wysoką wytrzymałość opracowanych czujników, bez żadnych uszkodzeń przy 2%, 5% i 10% odkształceniu, co czyni te czujniki niezawodnymi do monitorowania średnich odkształceń.

Ultradźwiękowa dyspersja MWCNT w PDMS przy użyciu ultrasonicator UP400St w różnych czasach sonikacji.
(Opracowanie i zdjęcie: ©del Bosque et al., 2022)

Wysokowydajny ultradźwiękowy sprzęt dyspergujący do nanokompozytów CNT/Polimer

Hielscher Ultrasonics produkuje sondy ultradźwiękowe o dużej mocy do wymagających zastosowań dyspergujących w laboratorium, na stole warsztatowym i w przemyśle. Dyspergatory Hielscher Ultrasonics zapewniają wydajną i precyzyjną homogenizację i dyspersję nanomateriałów w rozpuszczalnikach, polimerach i kompozytach.
Dzięki zaawansowanej technologii ultradźwiękowej, dyspergatory te oferują szybkie i łatwe rozwiązanie dla uzyskania jednolitego rozkładu wielkości cząstek, stabilnych dyspersji i/lub funkcjonalizacji nanocząstek.
Skracając czas przetwarzania i minimalizując zużycie energii, dyspergatory z sondą ultradźwiękową mogą poprawić produktywność i obniżyć koszty operacyjne dla firm z różnych branż.
Ultradźwięki Hielscher można również dostosować do konkretnych wymagań, z opcjami dla różnych rozmiarów sond, rogów wspomagających, poziomów mocy i komórek przepływowych, dzięki czemu są wszechstronne i można je dostosować do różnych nano-formulacji i objętości.
Ogólnie rzecz biorąc, dyspergatory z sondą ultradźwiękową są doskonałą inwestycją dla laboratoriów i branż, które chcą zoptymalizować procesy przetwarzania nanomateriałów i osiągnąć spójne, wiarygodne wyniki.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są niezawodnie obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: