Nanoprzewodzące kleje dla wysokowydajnej elektroniki

Dyspergatory ultradźwiękowe są stosowane jako niezawodna technika mieszania i mielenia w produkcji wysokowydajnych klejów do wysokowydajnej elektroniki i nanoelektroniki. W produkcji wysokowydajnej elektroniki istnieje duże zapotrzebowanie na kleje, takie jak kleje nanoprzewodzące. 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 metalu i przewodności cieplnej do odsprzęgania ciepła i izolacji. Nanocząsteczki, takie jak srebro, nikiel, grafen, tlenek grafenu i nanorurki węglowe (CNT) są często dodawane do żywic epoksydowych i polimerów w celu uzyskania pożądanych właściwości funkcjonalnych, takich jak przewodność elektryczna lub izolacja, przewodność cieplna, wytrzymałość na rozciąganie, moduł Younga i elastyczność. Wysokowydajne kleje opracowane dla wysokowydajnej elektroniki wykorzystują metalowe wypełniacze (takie jak nanocząsteczki srebra, złota, niklu lub miedzi) w celu zapewnienia przewodności elektrycznej. Aby odblokować niezwykłe właściwości tych materiałów, ich rozmiar musi zostać zmniejszony do skali nano. Ponieważ redukcja rozmiaru i dyspersja nanocząstek jest trudnym zadaniem, wydajna technologia mielenia i dyspergowania jest kluczem do udanych receptur klejów.

Dyspergowanie ultradźwiękowe ma wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi technikami mieszania i mielenia. Ze względu na swoją niezawodność i skuteczność, sonikacja została ustanowiona w przetwarzaniu nanomateriałów i można ją znaleźć w każdej branży, w której nanocząstki są syntetyzowane i/lub włączane do cieczy. Ultradźwięki są zatem idealną techniką do produkcji klejów nanoprzewodzących, które zawierają nanowypełniacze, takie jak nanocząstki, nanodruty lub nanorurki węglowe i monowarstwy grafenu (nanosheets).
ETO: Dobitnym przykładem jest formulacja klejów przewodzących prąd elektryczny (ECA), które są kompozytami wykonanymi z matrycy polimerowej i wypełniaczy przewodzących prąd elektryczny. Aby stworzyć wysokowydajny klej do zastosowań elektronicznych, żywica polimerowa (np. epoksydowa, silikonowa, poliimidowa) musi zapewniać właściwości fizyczne i mechaniczne, takie jak przyczepność, wytrzymałość mechaniczna, udarność, podczas gdy wypełniacz metalowy (np. nanosrebro, nanozłoto, nanonikl lub nanomiedź) zapewnia doskonałą przewodność elektryczną. W przypadku klejów o właściwościach izolacyjnych do kompozytu klejowego włączane są wypełniacze mineralne.

Przed i po sonikacji: Zielona krzywa pokazuje wielkość cząstek przed sonikacją, czerwona krzywa to rozkład wielkości cząstek ultradźwiękowo zdyspergowanej krzemionki.

Ultradźwiękowa dyspersja nanomateriałów w lepkich klejach

Homogenizatory ultradźwiękowe są bardzo skuteczne, gdy aglomeraty cząstek, agregaty, a nawet cząstki pierwotne muszą być niezawodnie zmniejszone. Zaletą mieszalników ultradźwiękowych jest ich zdolność do mielenia cząstek do mniejszych i bardziej jednolitych rozmiarów cząstek, niezależnie od tego, czy mikro- czy nanocząstki są ukierunkowane jako wynik procesu. Podczas gdy inne technologie, takie jak mieszalniki łopatkowe lub rotor-stator, homogenizatory wysokociśnieniowe, młyny perełkowe itp. wykazują wady, takie jak niezdolność do wytwarzania równomiernie małych nanocząstek, zanieczyszczenie mediami mielącymi, zatkane dysze i wysokie zużycie energii, dyspergatory ultradźwiękowe wykorzystują zasadę działania kawitacji akustycznej. Kawitacja generowana przez ultradźwięki została wykazana jako wysoce skuteczna, energooszczędna i zdolna do rozpraszania nawet bardzo 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 kolizja międzycząsteczkowa. Same cząstki działają jako medium mielące, co pozwala uniknąć zanieczyszczenia przez kulki mielące i późniejszego procesu separacji, który jest konieczny w przypadku stosowania konwencjonalnych młynów kulkowych. Ponieważ cząstki rozpadają się w wyniku zderzenia międzycząsteczkowego przy bardzo dużych prędkościach do 280 m/s, na cząstki działają niezwykle duże siły, które rozbijają je na drobne frakcje. Tarcie i erozja nadają tym fragmentom cząstek wypolerowaną powierzchnię i jednolity kształt. Połączenie sił ścinających i zderzeń międzycząsteczkowych daje homogenizacji ultradźwiękowej i dyspersji korzystną krawędź dostarczającą wysoce jednorodne zawiesiny koloidalne i dyspersje!
Kolejną zaletą wysokich sił ścinających generowanych przez ultradźwięki jest efekt rozrzedzania ścinaniem. Na przykład, ultradźwiękowo przygotowane żywice epoksydowe wypełnione utlenionymi CNT wykazują właściwości rozrzedzające ścinanie. Ponieważ rozrzedzanie ścinające tymczasowo obniża lepkość płynu, przetwarzanie lepkich kompozytów jest ułatwione.

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

Porównanie różnych nanonapełniaczy zdyspergowanych w utwardzaczu (ultradźwięki-US): (a) 0,5% wagowych nanowłókien węglowych (CNF); (b) 0,5% wagowych CNToxi; (c) 0,5% wagowych nanorurek węglowych (CNT); (d) 0,5% wagowych CNT częściowo zdyspergowanych.
(Opracowanie i zdjęcie: © Zanghellini et al., 2021)

Ultradźwięki o dużej mocy do formułowania klejów o wysokiej wydajności

Hielscher Ultrasonics jest specjalistą w zakresie wysokowydajnych urządzeń ultradźwiękowych do przetwarzania cieczy i zawiesin. Dyspergatory ultradźwiękowe pozwalają na przetwarzanie materiałów o wysokiej lepkości, takich jak żywice o wysokim stopniu wypełnienia i zapewniają równomierne rozprowadzenie nanomateriałów w kompozytach.
Precyzyjna kontrola nad parametrami procesu ultradźwiękowego, takimi jak amplituda, energia wejściowa, temperatura, ciśnienie i czas, pozwala na dostosowanie klejów w zakresie nanometrów.
Niezależnie od tego, czy preparat wymaga dyspersji organicznych lub nieorganicznych nanowypełniaczy, takich jak nanorurki, nanokryształy celulozy (CNC), nanowłókna lub nanometale, Hielscher Ultrasonics ma idealną konfigurację ultradźwiękową do preparatu klejowego.
Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy i są w stanie deaglomerować i rozpraszać nanomateriały nawet przy bardzo wysokiej lepkości. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7.
Ultradźwięki Hielscher są znane ze swojej jakości, niezawodności i wytrzymałości. 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: