Adesivos nanocondutores para eletrónica de elevado desempenho

Os dispersores ultra-sónicos são utilizados como técnica fiável de mistura e moagem na produção de adesivos de alto desempenho para eletrónica de alto desempenho e nano-eletrónica. Na produção de eletrónica de alto desempenho, há uma grande procura de adesivos, como os adesivos nano-condutores. Estes adesivos de elevado desempenho são utilizados, por exemplo, como interconexões alternativas e podem substituir a solda de estanho/chumbo.

Adesivos de alto desempenho para eletrónica de alto desempenho

Para a produção de produtos electrónicos de elevado desempenho, são necessários adesivos com elevada capacidade de adesão de metais e condutividade térmica para dissociação e isolamento térmico. Nano-partículas como prata, níquel, grafeno, óxido de grafeno e nanotubos de carbono (CNT) são frequentemente incorporadas em resinas epóxi e polímeros para obter as propriedades funcionais desejadas, como condutividade eléctrica ou isolamento, condutividade térmica, resistência à tração, módulo de Young e flexibilidade. As colas de alto desempenho desenvolvidas para eletrónica de alto desempenho utilizam cargas metálicas (como nanopartículas de prata, ouro, níquel ou cobre) para proporcionar condutividade eléctrica. Para que as propriedades extraordinárias destes materiais possam ser desbloqueadas, o seu tamanho deve ser reduzido à escala nanométrica. Como a redução do tamanho e a dispersão das nanopartículas é uma tarefa difícil, uma poderosa tecnologia de moagem e dispersão é fundamental para formulações adesivas bem sucedidas.

A dispersão por ultra-sons oferece várias vantagens quando comparada com as técnicas tradicionais de mistura e moagem. Devido à sua fiabilidade e eficácia, a sonicação foi estabelecida no processamento de nanomateriais e pode ser encontrada em qualquer indústria onde as nanopartículas são sintetizadas e/ou incorporadas em líquidos. Ultrassom é, portanto, a técnica ideal para a produção de adesivos nano-condutores que contêm nano-enchimentos, tais como nanopartículas, nanofios, ou nanotubos de carbono e monocamadas de grafeno (nanofolhas).
ECAs: Um exemplo proeminente é a formulação de adesivos eletricamente condutores (ECAs), que são compósitos feitos de uma matriz polimérica e cargas eletricamente condutoras. Para formular um adesivo de alto desempenho para aplicações electrónicas, uma resina polimérica (por exemplo, epóxi, silicone, poliimida) deve proporcionar funcionalidades físicas e mecânicas, tais como adesão, resistência mecânica, resistência ao impacto, enquanto a carga metálica (por exemplo, nano-prata, nano-ouro, nano-níquel ou nano-cobre) cria uma condutividade eléctrica superior. Para colas com propriedades isolantes, são incorporadas cargas de base mineral no composto adesivo.

Antes e depois da sonicação: A curva verde mostra o tamanho das partículas antes da sonicação, a curva vermelha é a distribuição do tamanho das partículas da sílica dispersa por ultra-sons.

Dispersão ultra-sónica de nanomateriais em adesivos viscosos

Os homogeneizadores de ultra-sons são muito eficazes quando os aglomerados de partículas, agregados e mesmo partículas primárias têm de ser reduzidos de forma fiável em tamanho. A vantagem dos misturadores ultra-sónicos é a sua capacidade de moer partículas até tamanhos de partículas mais pequenos e mais uniformes, quer se trate de partículas micrométricas ou nanométricas como resultado do processo. Enquanto outras tecnologias, como os misturadores de pás ou de rotor-estator, os homogeneizadores de alta pressão, os moinhos de esferas, etc., apresentam inconvenientes, como a incapacidade de produzir nanopartículas uniformemente pequenas, a contaminação por meios de moagem, os bicos entupidos e o elevado consumo de energia, os dispersores ultra-sónicos utilizam o princípio de funcionamento da cavitação acústica. A cavitação gerada por ultra-sons demonstrou ser altamente eficaz, eficiente em termos energéticos e capaz de dispersar mesmo materiais altamente viscosos, como as pastas carregadas de nanopartículas.

Como funciona a dispersão por ultra-sons?

As forças de cisalhamento cavitacional e os fluxos de líquido aceleram as partículas de modo a que estas colidam umas com as outras. Este processo é conhecido como colisão interpartículas. As próprias partículas actuam como meio de moagem, o que evita a contaminação por esferas de moagem e o subsequente processo de separação, que é necessário quando são utilizados moinhos de esferas convencionais. Uma vez que as partículas se estilhaçam por colisão interpartículas a velocidades muito elevadas, até 280 m/s, aplicam-se forças extraordinariamente elevadas às partículas, que assim se partem em fracções minúsculas. A fricção e a erosão conferem a esses fragmentos de partículas uma superfície polida e uma forma uniforme. A combinação de forças de cisalhamento e colisão interpartículas dá à homogeneização e dispersão ultra-sónicas a vantagem de fornecer suspensões e dispersões coloidais altamente homogéneas!
Outro benefício de altas forças de cisalhamento geradas por ultrassom é o efeito de cisalhamento-afinamento. Por exemplo, resinas epóxi ultrassonicamente preparadas preenchidas com CNTs oxidados mostram comportamento de afinamento de cisalhamento. Como o cisalhamento diminui temporariamente a viscosidade do fluido, o processamento de compósitos viscosos é facilitado.

Uma sequência de alta velocidade (de a a f) de fotogramas que ilustram a esfoliação sono-mecânica de um floco de grafite em água utilizando o UP200S, um ultrassom de 200 W com um sonotrodo de 3 mm. As setas mostram o local da divisão (esfoliação) com bolhas de cavitação a penetrar na divisão.
(Estudo e imagens: © Tyurnina et al. 2020)

Comparação de diferentes nanocargas dispersas no endurecedor (ultra-sons-US): (a) 0,5% em peso de nanofibras de carbono (CNF); (b) 0,5% em peso de CNToxi; (c) 0,5% em peso de nanotubos de carbono (CNT); (d) 0,5% em peso de CNT semi-disperso.
(Estudo e imagem: © Zanghellini et al., 2021)

Ultrassons de alta potência para a formulação de adesivos de elevado desempenho

A Hielscher Ultrasonics é especialista em equipamento ultrassónico de alto desempenho para o processamento de líquidos e lamas. Os dispersores ultra-sónicos permitem processar materiais altamente viscosos, tais como resinas altamente cheias e assegurar a distribuição uniforme de nanomateriais dentro de compósitos.
O controlo preciso dos parâmetros do processo ultrassónico, como a amplitude, a entrada de energia, a temperatura, a pressão e o tempo, permite a adaptação de adesivos na gama nanométrica.
Quer a sua formulação exija a dispersão de nanopartículas orgânicas ou inorgânicas, tais como nanotubos, nanocristais de celulose (CNC), nanofibras ou nanometais, a Hielscher Ultrasonics tem a configuração ultra-sónica ideal para a sua formulação adesiva.
Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultra-sónicos industriais podem fornecer amplitudes muito elevadas e são capazes de desaglomerar e dispersar nanomateriais mesmo com viscosidades muito elevadas. Amplitudes até 200µm podem ser facilmente executadas de forma contínua em funcionamento 24/7.
Os ultrassons da Hielscher são reconhecidos pela sua qualidade, fiabilidade e robustez. A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada pela ISO e coloca especial ênfase em 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: