Dispersão de nanotubos de carbono em tintas para impressão 3D

Uma dispersão uniforme de CNTs em tintas 3D-printable pode melhorar as propriedades da tinta e permitir novas aplicações em vários campos. A ultrasonicação do tipo sonda é uma técnica de dispersão altamente confiável para produzir nanosuspensões estáveis de CNTs em polímeros.

Dispersão eficiente e estável de CNT em polímeros devido à sonicação

Os nanotubos de carbono (CNT) são frequentemente dispersos em óleos de silicone para várias aplicações devido às suas propriedades únicas. A dispersão de CNTs em óleos de silicone pode melhorar as propriedades mecânicas, térmicas e eléctricas dos materiais resultantes. Uma dessas aplicações é o fabrico de polímeros dopados com CNT para tintas condutoras imprimíveis em 3D, por exemplo, para o fabrico aditivo de base biológica de sensores tácteis portáteis, suportes de regeneração de tecidos específicos do doente e eléctrodos flexíveis de ECG e EEG.
Além disso, os CNT dispersos em óleos de silício podem ser utilizados como tintas condutoras em dispositivos electrónicos, tais como ecrãs flexíveis e sensores. Os CNT actuam como vias condutoras, permitindo o fluxo de corrente eléctrica.

Vantagens da dispersão ultra-sónica de CNT/polímero

Ultrasonication é uma técnica de dispersão muito eficiente, que vem com vários benefícios. As vantagens da dispersão ultra-sônica de nanotubos de carbono (CNTs) em polímeros incluem:

Protocolo geral para a produção ultra-sónica de compósitos CNT/PDMS

A ultra-sons é utilizada para a dispersão de numerosos materiais de tamanho nano em polímeros. Uma aplicação específica e comumente usada é a dispersão de nanotubos de carbono (CNTs) em dimetilpolissiloxano (PDMS) usando sonicação tipo sonda. A fim de dispersar os CNT na matriz de PDMS, utilizam-se ultra-sons potentes e os efeitos resultantes da cavitação acústica para desembaraçar os nanotubos e misturá-los uniformemente numa nanosuspensão. A sonicação por sonda é um método poderoso para dispersar CNTs devido à sua capacidade de gerar forças de cavitação intensas que podem efetivamente quebrar e dispersar CNTs aglomerados.
A dispersão por ultra-sons é um passo de processamento simples que não requer qualquer pré-tratamento ou pós-tratamento específico. O próprio equipamento de ultra-sons é seguro e fácil de operar.
O processo de dispersão utilizando a sonicação do tipo sonda envolve normalmente os seguintes passos:

1. Preparação da mistura CNT-PDMS: Uma quantidade pré-determinada de CNTs é adicionada à matriz de PDMS e pré-misturada com um agitador mecânico. É interessante notar que, ao dispersar previamente os CNT num solvente, a condutividade eléctrica pode ser aumentada. Os melhores resultados são obtidos com tetrahidrofurano (THF), acetona ou clorofórmio (ordenados pelos melhores resultados).
2. Sonicação do tipo sonda: A mistura é submetida a uma sonicação do tipo sonda utilizando uma sonda ultra-sónica de alta intensidade que gera ondas de ultra-sons com uma frequência de cerca de 20 kHz. Dependendo do volume e da formulação, a sonicação é normalmente efectuada durante vários minutos para assegurar a dispersão completa dos CNT.
3. Controlo da dispersão: A dispersão dos CNTs é monitorizada utilizando técnicas como a microscopia eletrónica de varrimento (SEM), a microscopia eletrónica de transmissão (TEM) ou a espetroscopia UV-Vis. Estas técnicas podem ser utilizadas para visualizar a distribuição dos CNTs na matriz de PDMS e para garantir que os CNTs estão uniformemente dispersos.

Em resumo, a sonicação do tipo sonda é um método poderoso para dispersar os CNT em polímeros como o PDMS devido à sua capacidade de gerar forças de cavitação intensas que podem efetivamente quebrar e dispersar os CNT aglomerados.

Estudos de casos de fabrico ultrassónico de compósitos CNT/Polímero

A dispersão de nanotubos e outros nanomateriais à base de carbono usando ultrasonication tipo sonda tem sido extensivamente pesquisado e tem sido posteriormente implementado na produção industrial. Abaixo, apresentamos alguns estudos de investigação, que demonstram a eficiência excecional da dispersão de nanotubos de ultra-sons.

Dispersão ultra-sónica de CNTs em PDMS para sensores portáteis

Del Bosque et al. (2022) compararam a moagem de três rolos e sonicação para a sua eficácia de dispersão CNT. A análise do procedimento de dispersão de nanopartículas na matriz polimérica mostra que a técnica de ultrassom fornece uma maior sensibilidade elétrica em comparação com a moagem de três rolos devido à maior homogeneidade da distribuição de CNT induzida pelas forças de cavitação. Testando várias cargas de CNT, o limiar de percolação do sistema CNT-PDMS, ou seja, o teor crítico de CNT em que se torna eletricamente condutor, foi encontrado para ser 0,4 wt% CNT. Multi-Wall nanotubos de carbono (MWCNTs) foram dispersos por ultra-sons utilizando o ultrasonicator Hielscher UP400ST (ver imagem à esquerda) em 0,5 ciclos de pulso e 50% de amplitude para 2h. Os efeitos da dispersão ultra-sónica ao longo do tempo de sonicação são mostrados na figura abaixo.
Com base nesta análise, as condições óptimas para o fabrico dos sensores vestíveis foram selecionadas como 0,4 wt.% CNT por meio de um processo de ultra-sons. A este respeito, uma análise da resposta eléctrica sob ciclos de carga consecutivos mostrou uma elevada robustez dos sensores desenvolvidos, sem qualquer presença de danos a 2%, 5% e 10% de deformação, o que torna estes sensores fiáveis para a monitorização de deformações médias.

Dispersão ultra-sônica de MWCNTs em PDMS usando o ultrasonicator UP400St em vários tempos de sonicação.
(Estudo e imagem: ©del Bosque et al., 2022)

Equipamento de dispersão ultra-sónica de alto desempenho para nanocompósitos de CNT/polímero

A Hielscher Ultrasonics fabrica sondas de ultrassom de alta potência para aplicações de dispersão exigentes em laboratório, bancada e indústria. Hielscher Ultrasonics dispersores fornecer homogeneização eficiente e precisa e dispersão de nanomateriais em solventes, polímeros e compósitos.
Com a sua avançada tecnologia ultra-sónica, estes dispersores oferecem uma solução rápida e fácil para obter uma distribuição uniforme do tamanho das partículas, dispersões estáveis e/ou funcionalização de nanopartículas.
Ao reduzir o tempo de processamento e minimizar o consumo de energia, os dispersores de sondas ultra-sónicas podem melhorar a produtividade e reduzir os custos operacionais para as empresas de uma variedade de indústrias.
Os ultrassons Hielscher também podem ser personalizados para satisfazer requisitos específicos, com opções para uma gama de tamanhos de sondas, cornetas de reforço, níveis de potência e células de fluxo, tornando-os versáteis e adaptáveis a várias nano-formulações e volumes.
Em geral, os dispersores de sonda ultra-sónica são um excelente investimento para laboratórios e indústrias que procuram otimizar os seus fluxos de trabalho de processamento de nanomateriais e obter resultados consistentes e fiáveis.

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os ultrassons Hielscher são conhecidos pelos seus elevados padrões de qualidade e design. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos ultrassons nas instalações industriais. Os ultrassons da Hielscher lidam de forma fiável com condições difíceis e ambientes exigentes.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada pela ISO e dá especial ênfase aos ultrassons de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os ultrassons da Hielscher estão em conformidade com a CE e cumprem os requisitos da UL, CSA e RoHs.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: