Jednolita dyspersja CNTs w farbach do druku 3D może poprawić właściwości farby i umożliwić nowe zastosowania w różnych dziedzinach. Ultradźwięki sondowe są wysoce niezawodną techniką dyspersyjną do wytwarzania stabilnych nanozawiesin CNTs w polimerach.

Wydajna i stabilna dyspersja CNT w polimerach dzięki sonikacji

Nanorurki węglowe (CNT) ze względu na swoje unikalne właściwości są często dyspergowane w olejach krzemowych do różnych zastosowań. Dyspersja CNT w olejach krzemowych może poprawić właściwości mechaniczne, termiczne i elektryczne otrzymanych materiałów. Jednym z takich zastosowań jest wytwarzanie polimerów z domieszką CNT dla przewodzących farb drukowalnych 3D, np. do biopochodnego wytwarzania addytywnego noszonych 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 tusze przewodzące w urządzeniach elektronicznych, takich jak elastyczne wyświetlacze i czujniki. CNT działają jako ścieżki przewodzące, umożliwiając przepływ prądu elektrycznego.

Zalety ultradźwiękowej dyspersji CNT/Polimer

Ultradźwięki są bardzo wydajną techniką dyspergowania, która niesie ze sobą szereg korzyści. Do zalet ultradźwiękowego dyspergowania nanorurek węglowych (CNT) w polimerach należą:

Ogólny protokół ultradźwiękowego wytwarzania kompozytów CNT/PDMS

Ultradźwięki są stosowane do dyspersji licznych materiałów o rozmiarach nano w polimerach. Szczególnym i powszechnie stosowanym zastosowaniem jest dyspersja nanorurek węglowych (CNT) w dimetylopolisiloksanie (PDMS) przy użyciu sonikacji typu sondowego. W celu zdyspergowania CNT w matrycy PDMS, wykorzystuje się ultradźwięki o dużej mocy i wynikające z nich efekty kawitacji akustycznej, aby rozdzielić nanorurki i wymieszać je równomiernie w nanozawiesinie. Sonikacja jest potężną metodą dyspersji CNT ze względu na zdolność do generowania intensywnych sił kawitacyjnych, które mogą skutecznie rozbijać i rozpraszać aglomerowane CNT.
Dyspersja ultradźwiękowa jest prostym etapem przetwarzania, który nie wymaga szczególnej obróbki wstępnej lub końcowej. Samo urządzenie ultradźwiękowe jest bezpieczne i łatwe w obsłudze.
Proces dyspersji z wykorzystaniem sonikacji sondowej obejmuje zazwyczaj następujące etapy:

1. Przygotowanie mieszaniny CNT-PDMS: Do matrycy PDMS dodaje się określoną ilość CNTs i miesza się je wstępnie za pomocą mieszadła mechanicznego. Co ciekawe, poprzez wstępne rozproszenie CNTs w rozpuszczalniku można zwiększyć przewodnictwo elektryczne. Najlepsze wyniki osiągnięto w przypadku tetrahydrofuranu (THF), acetonu lub chloroformu (posortowane według najlepszych wyników).
2. Sonikacja typu sonda: Mieszaninę poddaje się sonikacji przy użyciu sondy ultradźwiękowej o dużej intensywności, która generuje fale ultradźwiękowe o częstotliwości zwykle ok. 20 kHz. W zależności od objętości i składu, sonikację prowadzi się zwykle przez kilka minut, aby zapewnić całkowitą dyspersję CNT.
3. Monitorowanie rozproszenia: Rozproszenie CNT jest monitorowane przy użyciu technik takich jak skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM), transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) lub spektroskopia UV-Vis. Techniki te mogą być stosowane do wizualizacji rozkładu CNTs w matrycy PDMS i do zapewnienia, że CNTs są jednolicie rozproszone.

Podsumowując, sonikacja typu sondowego jest potężną metodą dyspersji CNTs w polimerach takich jak PDMS ze względu na zdolność do generowania intensywnych sił kawitacyjnych, które mogą skutecznie rozbić i rozproszyć aglomerowane CNTs.

Studia przypadków ultradźwiękowego wytwarzania kompozytów CNT/Polimer

Dyspersja nanorurek i innych nanomateriałów węglowych z wykorzystaniem ultradźwięków sondowych była szeroko badana, a następnie została wdrożona do produkcji przemysłowej. Poniżej przedstawiamy kilka badań, które pokazują wyjątkową skuteczność ultradźwiękowego rozpraszania nanorurek.

Ultradźwiękowe dyspersje CNTs w PDMS dla czujników do noszenia na ciele

Del Bosque i wsp. (2022) porównali frezowanie trójwalcowe i sonikację pod kątem ich skuteczności w dyspersji CNT. Z analizy procedury dyspersji nanocząstek do matrycy polimerowej wynika, że technika ultradźwiękowa zapewnia większą czułość elektryczną w porównaniu z frezowaniem trójwalcowym ze względu na większą 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 % mas. CNT. Wielościenne nanorurki węglowe (MWCNTs) dyspergowano metodą ultradźwiękową przy użyciu ultradźwiękowca UP400ST firmy Hielscher (patrz zdjęcie po lewej) przy 0,5 cyklu impulsów i 50% amplitudzie przez 2h. Efekty dyspergowania ultradźwiękowego w trakcie czasu sonikacji przedstawiono na rysunku poniżej.
Na podstawie tej analizy, jako optymalne warunki wytwarzania czujników do noszenia wybrano 0,4 % CNT za pomocą procesu ultradźwiękowego. W związku z tym analiza odpowiedzi elektrycznej pod wpływem kolejnych cykli obciążenia wykazała wysoką odporność opracowanych czujników, bez obecności uszkodzeń przy 2%, 5% i 10% odkształceniu, co czyni te czujniki wiarygodnymi do monitorowania średnich odkształceń.

Ultradźwiękowa dyspersja MWCNTs w PDMS przy użyciu ultradźwiękowca UP400St przy różnych czasach sonikacji.
(Opracowanie i obraz: ©del Bosque et al., 2022)

Wysokowydajne ultradźwiękowe urządzenia dyspergujące do nanokompozytów CNT/Polimer

Hielscher Ultrasonics produkuje sondy ultradźwiękowe o dużej mocy do wymagających zastosowań dyspergujących w laboratorium, na stanowisku badawczym 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.
Dzięki skróceniu czasu przetwarzania i zminimalizowaniu zużycia energii, dyspensery z sondą ultradźwiękową mogą poprawić produktywność i zmniejszyć koszty operacyjne w przedsiębiorstwach z różnych branż.
Ultrasonografy firmy Hielscher można również dostosować do konkretnych wymagań, z opcjami różnych rozmiarów sond, rogów wspomagających, poziomów mocy i komórek przepływowych, co czyni je wszechstronnymi i przystosowanymi do różnych nanoformacji i objętości.
Ogólnie rzecz biorąc, dyspergatory z sondą ultradźwiękową to doskonała inwestycja dla laboratoriów i branż, które chcą zoptymalizować procesy przetwarzania nanomateriałów i uzyskać spójne, wiarygodne wyniki.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki firmy Hielscher są znane z najwyższej jakości i standardów konstrukcyjnych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na bezproblemową integrację naszych ultradźwięków 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 ultradźwięki o wysokiej wydajności, charakteryzujące się najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: