Dyspersja nanorurek węglowych w atramentach do druku 3D

Jednorodna dyspersja CNT w atramentach do druku 3D może poprawić właściwości atramentu i umożliwić nowe zastosowania w różnych dziedzinach. Sonikacja z użyciem sonotrody jest wysoce niezawodną techniką dyspergowania służącą do wytwarzania stabilnych nanozawiesin CNT w polimerach.

Wydajna i stabilna dyspersja CNT w polimerach dzięki sonikacji

Nanorurki węglowe (CNT) są często dyspergowane w olejach krzemowych do różnych zastosowań ze względu na ich unikalne właściwości. Dyspersja CNT w olejach krzemowych może poprawić właściwości mechaniczne, cieplne i elektryczne otrzymanych materiałów. Jednym z takich zastosowań jest wytwarzanie polimerów domieszkowanych CNT do przewodzących atramentów do druku 3D, np. do wytwarzania przyrostowego z wykorzystaniem materiałów pochodzenia biologicznego noszonych na ciele czujników dotykowych, rusztowań do regeneracji tkanek dostosowanych do konkretnego pacjenta oraz elastycznych elektrod ECG i EEG.
Ponadto CNT zdyspergowane w olejach krzemowych mogą być stosowane jako atramenty przewodzące w urządzeniach elektronicznych, takich jak elastyczne wyświetlacze i czujniki. CNT tworzą ścieżki przewodzące, umożliwiając przepływ prądu elektrycznego.

Zalety ultradźwiękowego dyspergowania CNT w polimerach

Sonikacja jest bardzo wydajną techniką dyspergowania, która zapewnia szereg korzyści. Zalety ultradźwiękowego dyspergowania nanorurek węglowych (CNT) w polimerach obejmują:

Ogólny protokół ultradźwiękowego wytwarzania kompozytów CNT/PDMS

Sonikacja jest stosowana do dyspergowania licznych materiałów o rozmiarach nanometrycznych w polimerach. Jednym z konkretnych i powszechnych zastosowań jest dyspergowanie nanorurek węglowych (CNT) w dimetylopolisiloksanie (PDMS) za pomocą sonikacji z użyciem sonotrody. Aby zdyspergować CNT w matrycy PDMS, wykorzystuje się ultradźwięki dużej mocy i wynikające z nich efekty kawitacji akustycznej do rozplątywania nanorurek i ich równomiernego mieszania w celu uzyskania nanozawiesiny. Sonikacja z użyciem sonotrody jest skuteczną metodą dyspergowania CNT dzięki zdolności do generowania intensywnych sił kawitacyjnych, które mogą skutecznie rozbijać i dyspergować zaglomerowane CNT.
Dyspergowanie ultradźwiękowe jest prostym etapem przetwarzania, który nie wymaga żadnej specjalnej obróbki wstępnej ani końcowej. Samo urządzenie ultradźwiękowe jest bezpieczne i łatwe w obsłudze.
Proces dyspergowania za pomocą sonikacji z użyciem sonotrody zazwyczaj obejmuje następujące etapy:

1. Przygotowanie mieszaniny CNT-PDMS: Do matrycy PDMS dodaje się określoną z góry ilość CNT i wstępnie miesza za pomocą mieszadła mechanicznego. Co ciekawe, wstępne zdyspergowanie CNT w rozpuszczalniku mogłoby zwiększyć przewodność elektryczną. Najlepsze wyniki uzyskuje się przy użyciu tetrahydrofuranu (THF), acetonu lub chloroformu (uszeregowanych według najlepszych wyników).
2. Sonikacja z użyciem sonotrody: Mieszaninę poddaje się sonikacji z użyciem sonotrody ultradźwiękowej o wysokiej intensywności, która generuje fale ultradźwiękowe o częstotliwości zazwyczaj ok. 20 kHz. W zależności od objętości i składu formulacji sonikację zazwyczaj prowadzi się przez kilka minut, aby zapewnić całkowitą dyspersję CNT.
3. Monitorowanie dyspersji: Dyspersję CNT monitoruje się za pomocą 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 upewnienia się, że CNT są równomiernie zdyspergowane.

Podsumowując, sonikacja z użyciem sonotrody jest skuteczną metodą dyspergowania CNT w polimerach, takich jak PDMS, dzięki zdolności do generowania intensywnych sił kawitacyjnych, które mogą skutecznie rozbijać i dyspergować zaglomerowane CNT.

Studia przypadków ultradźwiękowego wytwarzania kompozytów CNT/polimer

Dyspergowanie nanorurek i innych nanomateriałów na bazie węgla za pomocą sonikacji z użyciem sonotrody zostało szeroko zbadane, a następnie wdrożone do produkcji przemysłowej. Poniżej przedstawiamy kilka badań, które wykazują wyjątkową wydajność ultradźwiękowego dyspergowania nanorurek.

Ultradźwiękowe dyspergowanie CNT w PDMS do czujników noszonych na ciele

Del Bosque i wsp. (2022) porównali skuteczność dyspergowania CNT za pomocą walcowania w młynie trójwalcowym i sonikacji. Analiza procedury dyspergowania nanocząstek w matrycy polimerowej pokazuje, że technika sonikacji zapewnia wyższą czułość elektryczną w porównaniu z walcowaniem w młynie trójwalcowym dzięki większej jednorodności rozmieszczenia CNT wywołanej siłami kawitacyjnymi. Podczas badania różnych zawartości CNT stwierdzono, że próg perkolacji układu CNT-PDMS, czyli krytyczna zawartość CNT, przy której układ staje się elektrycznie przewodzący, wynosi 0,4 wt% CNT. Wielościenne nanorurki węglowe (MWCNT) dyspergowano za pomocą sonikacji przy użyciu sonikatora Hielscher UP400ST (patrz zdjęcie po lewej), przy cyklach impulsowych 0,5 i amplitudzie 50 % przez 2h. Efekty dyspergowania ultradźwiękowego w zależności od czasu sonikacji przedstawiono na zdjęciu poniżej.
Na podstawie tej analizy jako optymalne warunki wytwarzania czujników noszonych na ciele wybrano zawartość 0,4 wt.% CNT i zastosowanie procesu sonikacji. W tym kontekście analiza odpowiedzi elektrycznej podczas kolejnych cykli obciążenia wykazała dużą odporność opracowanych czujników, bez jakichkolwiek uszkodzeń przy odkształceniach 2%, 5% i 10%, co sprawia, że czujniki te są niezawodne w monitorowaniu umiarkowanych odkształceń.

Ultradźwiękowe dyspergowanie MWCNT w PDMS przy użyciu sonikatora UP400St przy różnych czasach sonikacji.
(Badanie i ilustracja: ©del Bosque i wsp., 2022)

Urządzenia do dyspergowania ultradźwiękowego o wysokiej wydajności do nanokompozytów CNT/polimer

Hielscher Ultrasonics produkuje sonotrody ultradźwiękowe dużej mocy do wymagających zastosowań związanych z dyspergowaniem w laboratorium, na stanowiskach stołowych i w przemyśle. Dyspergatory Hielscher Ultrasonics zapewniają wydajną i precyzyjną homogenizację oraz dyspersję nanomateriałów w rozpuszczalnikach, polimerach i kompozytach.
Dzięki zaawansowanej technologii ultradźwiękowej dyspergatory te oferują szybkie i łatwe rozwiązanie pozwalające uzyskać jednorodny rozkład wielkości cząstek, stabilne dyspersje i/lub funkcjonalizację nanocząstek.
Skracając czas przetwarzania i minimalizując zużycie energii, dyspergatory ultradźwiękowe z sonotrodą mogą poprawić wydajność produkcji i obniżyć koszty operacyjne przedsiębiorstw w różnych branżach.
Sonikatory Hielscher można również dostosować do konkretnych wymagań, wybierając spośród różnych rozmiarów sonotrod, wzmacniaczy amplitudy, poziomów mocy i komór przepływowych, dzięki czemu są wszechstronne i można je dostosować do różnych nanoformulacji i objętości.
Ogólnie rzecz biorąc, dyspergatory ultradźwiękowe z sonotrodą są doskonałą inwestycją dla laboratoriów i zakładów przemysłowych dążących do optymalizacji procesów przetwarzania nanomateriałów oraz uzyskiwania spójnych, niezawodnych wyników.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa umożliwiają sprawną integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher niezawodnie radzą sobie w trudnych warunkach i wymagających środowiskach.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wyposażone w najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjne możliwości przetwarzania naszych sonikatorów: