Nanoprzewodzące kleje dla wysokowydajnej elektroniki

Dyspensery ultradźwiękowe są stosowane jako niezawodna technika mieszania i mielenia w produkcji wysokowydajnych klejów dla wysokowydajnej elektroniki i nanoelektroniki. W produkcji wysokowydajnej elektroniki duże zapotrzebowanie jest na kleje takie jak kleje nano-przewodzące. Takie wysokowydajne kleje są stosowane np. jako alternatywne połączenia i mogą zastąpić lut cynowy/ołowiowy.

Wysokowydajne kleje dla wysokowydajnej elektroniki

Do produkcji wysokowydajnej elektroniki wymagane są kleje o wysokiej przyczepności do metali i przewodności cieplnej do odsprzęgania ciepła i izolacji. Nanocząstki takie jak srebro, nikiel, grafen, tlenek grafenu i nanorurki węglowe (CNTs) są często włączane do żywic epoksydowych i polimerów w celu uzyskania pożądanych właściwości funkcjonalnych, takich jak przewodnictwo elektryczne lub izolacja, przewodnictwo cieplne, wytrzymałość na rozciąganie, moduł Younga i elastyczność. Kleje opracowane dla wysokiej klasy elektroniki wykorzystują wypełniacze metalowe (takie jak nanocząstki srebra, złota, niklu lub miedzi), aby zapewnić przewodnictwo elektryczne. Aby odblokować niezwykłe właściwości tych materiałów, ich rozmiar musi być zmniejszony do skali nano. Ponieważ redukcja rozmiaru i dyspersja nanocząstek jest trudnym zadaniem, wydajna technologia mielenia i dyspergowania jest kluczem do udanych formuł kleju.

Dyspergowanie ultradźwiękowe oferuje różne zalety w porównaniu z tradycyjnymi technikami mieszania i mielenia. Ze względu na swoją niezawodność i skuteczność, sonikacja została ugruntowana w przetwarzaniu nanomateriałów i można ją znaleźć w każdej branży, w której syntetyzuje się nanocząstki i/lub włącza się je do cieczy. Ultrakonizacja jest zatem idealną techniką do produkcji klejów nanoprzewodzących, które zawierają nanonapełniacze takie jak nanocząstki, nanodruty lub nanorurki węglowe i monowarstwy grafenu (nanosheets).
ECAs: Ważnym przykładem jest opracowanie klejów przewodzących prąd elektryczny (ECA), które są kompozytami składającymi się z matrycy polimerowej i wypełniaczy przewodzących prąd elektryczny. W celu opracowania wysokowydajnego kleju do zastosowań elektronicznych, żywica polimerowa (np. epoksydowa, silikonowa, poliimidowa) musi zapewnić fizyczne i mechaniczne funkcje, takie jak przyczepność, wytrzymałość mechaniczna, udarność, podczas gdy metalowy wypełniacz (np. nanosrebro, nanozłoto, nanonikl lub nanomiedź) tworzy doskonałą przewodność elektryczną. W przypadku klejów o właściwościach izolacyjnych, do kompozytu klejowego włączane są wypełniacze mineralne.

Przed i po sonikacji: Zielona linia przedstawia wielkość cząstek przed sonikacją czerwona krzywa rozkładu wielkości cząstek ultradźwiękowo rozproszonej krzemionki.

Ultradźwiękowa dyspersja nanomateriałów w klejach lepkich

Homogenizatory ultradźwiękowe są bardzo skuteczne w przypadku, gdy aglomeraty cząstek, agregaty, a nawet cząstki pierwotne muszą być niezawodnie zmniejszone w rozmiarze. Zaletą mieszalników ultradźwiękowych jest ich zdolność do rozdrabniania cząstek do mniejszych i bardziej jednolitych rozmiarów, niezależnie od tego, czy w wyniku procesu mają powstać mikro- czy nanocząstki. Podczas gdy inne technologie, takie jak mieszalniki łopatkowe lub rotorowo-statorowe, homogenizatory wysokociśnieniowe, młyny perełkowe itp. wykazują wady, takie jak niezdolność do wytwarzania jednolicie małych nanocząstek, zanieczyszczenie przez media mielące, zatykanie dysz i wysokie zużycie energii, dyspergatory ultradźwiękowe wykorzystują zasadę działania kawitacji akustycznej. Kawitacja generowana przez ultradźwięki okazała się wysoce skuteczna, energooszczędna i zdolna do dyspergowania nawet wysoce lepkich materiałów, takich jak pasty obciążone nanocząstkami.

Jak działa dyspergowanie ultradźwiękowe?

Kawitacyjne siły ścinające i strumienie cieczy przyspieszają cząstki tak, że zderzają się one ze sobą. Jest to znane jako zderzenie międzycząsteczkowe. Cząstki same w sobie pełnią rolę medium mielącego, co pozwala uniknąć zanieczyszczenia przez kulki mielące i następującego po tym procesu separacji, który jest konieczny w przypadku stosowania konwencjonalnych młynów perełkowych. Ponieważ cząstki rozbijają się w wyniku zderzenia międzycząsteczkowego przy bardzo dużych prędkościach, sięgających 280 m/s, na cząstki działają wyjątkowo duże siły, które w związku z tym rozbijają się na drobne frakcje. Tarcie i erozja nadają tym fragmentom cząstek polerowaną powierzchnię i jednolite kształty. Kombinacja sił ścinających i zderzeń międzycząsteczkowych daje ultradźwiękowej homogenizacji i dyspergowaniu przewagę, dzięki której uzyskuje się wysoce jednorodne koloidalne zawiesiny i dyspersje!
Inną zaletą wysokich sił ścinających generowanych przez ultradźwięki jest efekt rozrzedzania ścinania. Na przykład, ultradźwiękowo przygotowane żywice epoksydowe wypełnione utlenionymi CNTs wykazują zachowanie ścinające. Ponieważ ścinanie obniża chwilowo lepkość płynu, ułatwione jest przetwarzanie lepkich kompozytów.

Szybka sekwencja (od a do f) klatek ilustrujących sono-mechaniczne złuszczanie płatka grafitu w wodzie przy użyciu UP200S, ultradźwiękowca o mocy 200W z 3-mm sonotrodą. Strzałki pokazują miejsce rozszczepienia (eksfoliacji) z pęcherzykami kawitacyjnymi wnikającymi w rozszczepienie.
(Opracowanie i zdjęcia:© Tyurnina et al. 2020)

Porównanie różnych nanonapełniaczy zdyspergowanych w utwardzaczu (ultradźwięki-US): (a) 0,5 wt% nanowłókna węglowego (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% nanorurki węglowej (CNT); (d) 0,5 wt% CNT półzdyspergowane.
(Opracowanie i zdjęcie: © Zanghellini et al., 2021)

Ultrasonografy o dużej mocy do recepturowania klejów o wysokiej wydajności

Hielscher Ultrasonics jest specjalistą w zakresie wysokowydajnych urządzeń ultradźwiękowych do obróbki cieczy i zawiesin. Dyspergatory ultradźwiękowe pozwalają na obróbkę materiałów o dużej lepkości, takich jak żywice o wysokim stopniu wypełnienia oraz zapewniają równomierne rozprowadzenie nanomateriałów w kompozytach.
Precyzyjna kontrola parametrów procesu ultradźwiękowego, takich jak amplituda, energia wejściowa, temperatura, ciśnienie i czas pozwalają na dostosowanie klejów w zakresie nanometrów.
Niezależnie od tego, czy Twoja formuła wymaga dyspersji organicznych lub nieorganicznych nanonapełniaczy, takich jak nanorurki, nanokryształy celulozy (CNC), nanowłókna lub nanometale, Hielscher Ultrasonics ma idealne ustawienia ultradźwiękowe dla Twojej formuły kleju.
Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczyć bardzo wysokie amplitudy i są w stanie deagglomerować i rozpraszać nanomateriały nawet przy bardzo wysokiej lepkości. Amplitudy do 200µm mogą być z łatwością realizowane w trybie ciągłym 24/7.
Ultradźwięki firmy Hielscher są rozpoznawalne ze względu na ich jakość, niezawodność i solidność. 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: