Nanoprzewodzące kleje do elektroniki o wysokiej wydajności

Dyspergatory ultradźwiękowe są stosowane jako niezawodna technika mieszania i mielenia w produkcji klejów o wysokich parametrach użytkowych do elektroniki i nanoelektroniki o wysokiej wydajności. W produkcji elektroniki o wysokiej wydajności istnieje duże zapotrzebowanie na kleje, takie jak kleje nanoprzewodzące. Takie kleje o wysokich parametrach użytkowych stosuje się np. jako alternatywne połączenia elektryczne; mogą one zastąpić lut cynowo-ołowiowy.

Kleje o wysokich parametrach użytkowych do elektroniki o wysokiej wydajności

Do produkcji elektroniki o wysokiej wydajności wymagane są kleje o wysokiej przyczepności do metali i przewodności cieplnej, służące do odsprzęgania cieplnego i izolacji. Nanocząstki, takie jak srebro, nikiel, grafen, tlenek grafenu i nanorurki węglowe (CNTs), są często wprowadzane do żywic epoksydowych i polimerów w celu uzyskania pożądanych właściwości funkcjonalnych, takich jak przewodność elektryczna lub izolacyjność, przewodność cieplna, wytrzymałość na rozciąganie, moduł Younga i elastyczność. Kleje o wysokich parametrach użytkowych opracowane do elektroniki o wysokiej wydajności zawierają wypełniacze metaliczne (takie jak nanocząstki srebra, złota, niklu lub miedzi), które zapewniają przewodność elektryczną. Aby wykorzystać niezwykłe właściwości tych materiałów, ich rozmiar musi zostać zmniejszony do skali nano. Ponieważ zmniejszanie rozmiaru i dyspergowanie nanocząstek jest trudnym zadaniem, technologia mielenia i dyspergowania o dużej mocy ma kluczowe znaczenie dla uzyskania skutecznych formulacji klejów.

Dyspergowanie ultradźwiękowe oferuje różne korzyści w porównaniu z tradycyjnymi technikami mieszania i mielenia. Dzięki niezawodności i skuteczności sonikacja stała się uznaną metodą przetwarzania nanomateriałów i jest stosowana w każdej branży, w której nanocząstki są syntetyzowane i/lub wprowadzane do cieczy. Sonikacja jest zatem idealną techniką produkcji klejów nanoprzewodzących zawierających nanowypełniacze, takie jak nanocząstki, nanodruty lub nanorurki węglowe i monowarstwy grafenu (nanoarkusze).
ECA: Istotnym przykładem jest opracowywanie formulacji klejów przewodzących prąd elektryczny (ECA), które są kompozytami złożonymi z matrycy polimerowej i wypełniaczy przewodzących prąd elektryczny. Aby opracować formulację kleju o wysokich parametrach użytkowych do zastosowań elektronicznych, żywica polimerowa (np. epoksydowa, silikonowa lub poliimidowa) musi zapewniać właściwości fizyczne i mechaniczne, takie jak przyczepność, wytrzymałość mechaniczna i udarność, natomiast wypełniacz metaliczny (np. nanosrebro, nanozłoto, nanonikiel lub nanomiedź) zapewnia doskonałą przewodność elektryczną. W przypadku klejów o właściwościach izolacyjnych do kompozytu klejowego wprowadza się wypełniacze mineralne.

Przed sonikacją i po niej: zielona krzywa przedstawia wielkość cząstek przed sonikacją, a czerwona krzywa przedstawia rozkład wielkości cząstek krzemionki zdyspergowanej ultradźwiękowo.

Ultradźwiękowe dyspergowanie nanomateriałów w lepkich klejach

Homogenizatory ultradźwiękowe są bardzo skuteczne, gdy konieczne jest niezawodne zmniejszenie rozmiaru aglomeratów, agregatów, a nawet cząstek pierwotnych. Zaletą mieszalników ultradźwiękowych jest ich zdolność do mielenia cząstek do mniejszych i bardziej jednorodnych rozmiarów, niezależnie od tego, czy celem procesu jest uzyskanie mikrocząstek, czy nanocząstek. Podczas gdy inne technologie, takie jak mieszalniki łopatkowe lub rotor–stator, homogenizatory wysokociśnieniowe, młyny kulkowe itp., mają wady, takie jak niezdolność do wytwarzania nanocząstek o jednolicie małych rozmiarach, zanieczyszczenie przez media mielące, zatykające się dysze i wysokie zużycie energii, dyspergatory ultradźwiękowe wykorzystują zasadę kawitacji akustycznej. Wykazano, że kawitacja generowana przez ultradźwięki jest wysoce skuteczna, energooszczędna i zdolna do dyspergowania nawet materiałów o bardzo wysokiej lepkości, takich jak pasty zawierające nanocząstki.

Jak działa dyspergowanie ultradźwiękowe?

Siły ścinające wywołane kawitacją i strumienie cieczy przyspieszają cząstki, powodując ich wzajemne zderzenia. Zjawisko to określa się jako zderzenia międzycząstkowe. Same cząstki działają jako medium mielące, co pozwala uniknąć zanieczyszczenia kulkami mielącymi i późniejszego procesu separacji, który jest konieczny przy stosowaniu konwencjonalnych młynów kulkowych. Ponieważ cząstki rozbijają się wskutek zderzeń międzycząstkowych przy bardzo dużych prędkościach, sięgających 280m/sec, działają na nie niezwykle duże siły, które powodują ich rozpad na drobne fragmenty. Tarcie i erozja nadają tym fragmentom cząstek wypolerowaną powierzchnię i jednolity kształt. Połączenie sił ścinających i zderzeń międzycząstkowych zapewnia przewagę homogenizacji i dyspergowania ultradźwiękowego, umożliwiając uzyskanie wysoce jednorodnych zawiesin koloidalnych i dyspersji!
Kolejną korzyścią wynikającą z dużych sił ścinających generowanych przez ultradźwięki jest efekt rozrzedzania ścinaniem. Na przykład żywice epoksydowe przygotowane ultradźwiękowo i wypełnione utlenionymi CNTs wykazują rozrzedzanie ścinaniem. Ponieważ rozrzedzanie ścinaniem tymczasowo obniża lepkość płynu, ułatwia przetwarzanie lepkich kompozytów.

Sekwencja klatek zarejestrowanych z dużą szybkością (od a do f), ilustrująca sonomechaniczną eksfoliację płatka grafitu w wodzie przy użyciu UP200S, sonikatora o mocy 200W z sonotrodą 3-mm. Strzałki wskazują miejsce rozwarstwienia (eksfoliacji), do którego wnikają pęcherzyki kawitacyjne.
(Badanie i zdjęcia:© Tyurnina et al. 2020)

Porównanie różnych nanowypełniaczy zdyspergowanych w utwardzaczu (sonikacja–US): (a) 0,5 wt% nanowłókien węglowych (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% nanorurek węglowych (CNT); (d) 0,5 wt% częściowo zdyspergowanych CNT.
(Badanie i zdjęcie: © Zanghellini et al., 2021)

Sonikatory dużej mocy do opracowywania formulacji klejów o wysokich parametrach użytkowych

Hielscher Ultrasonics jest specjalistą w zakresie urządzeń ultradźwiękowych o wysokiej wydajności do przetwarzania cieczy i zawiesin. Dyspergatory ultradźwiękowe umożliwiają przetwarzanie materiałów o bardzo wysokiej lepkości, takich jak żywice o dużej zawartości wypełniaczy, i zapewniają równomierny rozkład nanomateriałów w kompozytach.
Precyzyjna kontrola parametrów procesu ultradźwiękowego, takich jak amplituda, dostarczana energia, temperatura, ciśnienie i czas, umożliwia dostosowywanie klejów w skali nanometrowej.
Niezależnie od tego, czy dana formulacja wymaga dyspergowania organicznych, czy nieorganicznych nanowypełniaczy, takich jak nanorurki, nanokryształy celulozy (CNCs), nanowłókna lub nanometale, Hielscher Ultrasonics oferuje idealny zestaw ultradźwiękowy do tej formulacji kleju.
Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy i są zdolne do deaglomeracji i dyspergowania nanomateriałów nawet przy bardzo wysokiej lepkości. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać nieprzerwanie podczas pracy w trybie 24/7.
Sonikatory Hielscher są cenione za jakość, niezawodność i solidność. Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wyposażone w najnowocześniejszą technologię i łatwe w obsłudze. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: