Adesivos nanocondutores para eletrónica de elevado desempenho

Os dispersores ultrassónicos são utilizados como técnica fiável de mistura e moagem na produção de adesivos de elevado desempenho para eletrónica de elevado desempenho e nanoeletrónica. Na produção de eletrónica de elevado desempenho, os adesivos, como os adesivos nanocondutores, são muito procurados. Estes adesivos de elevado desempenho são utilizados, por exemplo, como interligações alternativas e podem substituir a solda de estanho/chumbo.

Adesivos de elevado desempenho para eletrónica de elevado desempenho

Para a produção de eletrónica de elevado desempenho, são necessários adesivos com elevada aderência aos metais e condutividade térmica para desacoplamento térmico e isolamento. Nanopartículas como prata, níquel, grafeno, óxido de grafeno e nanotubos de carbono (CNTs) são frequentemente incorporadas em resinas epóxi e polímeros para obter as propriedades funcionais desejadas, como condutividade elétrica ou isolamento, condutividade térmica, resistência à tração, módulo de Young e flexibilidade. Os adesivos de elevado desempenho desenvolvidos para eletrónica de elevado desempenho utilizam cargas metálicas (como nanopartículas de prata, ouro, níquel ou cobre) para proporcionar condutividade elétrica. Para tirar partido das propriedades extraordinárias destes materiais, a sua dimensão tem de ser reduzida à escala nanométrica. Como a redução de tamanho e a dispersão de nanopartículas são tarefas exigentes, uma tecnologia potente de moagem e dispersão é fundamental para obter formulações de adesivos bem-sucedidas.

A dispersão ultrassónica oferece várias vantagens em comparação com as técnicas tradicionais de mistura e moagem. Graças à sua fiabilidade e eficácia, a sonicação consolidou-se no processamento de nanomateriais e pode ser encontrada em qualquer indústria onde se sintetizam nanopartículas e/ou se incorporam em líquidos. A sonicação é, por isso, a técnica ideal para a produção de adesivos nanocondutores que contêm nanocargas, como nanopartículas, nanofios ou nanotubos de carbono e monocamadas de grafeno (nanofolhas).
ECAs: Um exemplo de destaque é a formulação de adesivos eletricamente condutores (ECAs), que são compósitos constituídos por uma matriz polimérica e cargas eletricamente condutoras. Para formular um adesivo de elevado desempenho para aplicações eletrónicas, uma resina polimérica (por exemplo, epóxi, silicone ou poliimida) tem de proporcionar funcionalidades físicas e mecânicas, como adesão, resistência mecânica e resistência ao impacto, enquanto a carga metálica (por exemplo, nanoprata, nano-ouro, nanoníquel ou nanocobre) confere uma condutividade elétrica superior. Para adesivos com propriedades isolantes, são incorporadas cargas de base mineral no compósito adesivo.

Antes e depois da sonicação: a curva verde mostra o tamanho das partículas antes da sonicação; a curva vermelha representa a distribuição do tamanho das partículas de sílica dispersa por ultrassons.

Dispersão ultrassónica de nanomateriais em adesivos viscosos

Os homogeneizadores ultrassónicos são muito eficazes quando é necessário reduzir de forma fiável o tamanho de aglomerados, agregados e até de partículas primárias. A vantagem dos misturadores ultrassónicos é a sua capacidade de moer partículas até obter tamanhos menores e mais uniformes, quer se pretenda obter partículas micrométricas ou nanométricas como resultado do processo. Enquanto outras tecnologias, como misturadores de pás ou de rotor-estator, homogeneizadores de alta pressão, moinhos de esferas, etc., apresentam desvantagens, como a incapacidade de produzir nanopartículas uniformemente pequenas, a contaminação pelos meios de moagem, a obstrução de bicos e o elevado consumo de energia, os dispersores ultrassónicos utilizam o princípio de funcionamento da cavitação acústica. A cavitação gerada por ultrassons demonstrou ser altamente eficaz, energeticamente eficiente e capaz de dispersar até materiais de elevada viscosidade, como pastas carregadas com nanopartículas.

Como funciona a dispersão ultrassónica?

As forças de cisalhamento geradas pela cavitação e as correntes de líquido aceleram as partículas, fazendo-as colidir umas com as outras. Este fenómeno é conhecido como colisão interpartículas. As próprias partículas atuam como meio de moagem, o que evita a contaminação por esferas de moagem e o processo de separação subsequente, necessário quando se utilizam moinhos de esferas convencionais. Como as partículas se fragmentam por colisão interpartículas a velocidades muito elevadas, de até 280m/sec, ficam sujeitas a forças extraordinariamente elevadas, que as fazem dividir-se em frações minúsculas. O atrito e a erosão conferem a estes fragmentos de partículas uma superfície polida e uma forma uniforme. A combinação de forças de cisalhamento e colisões interpartículas confere à homogeneização e à dispersão ultrassónicas uma vantagem, permitindo obter suspensões e dispersões coloidais altamente homogéneas!
Outro benefício das elevadas forças de cisalhamento geradas por ultrassons é o efeito de diminuição da viscosidade por cisalhamento. Por exemplo, as resinas epóxi preparadas por ultrassons e carregadas com CNTs oxidados apresentam um comportamento de diminuição da viscosidade por cisalhamento. Como este efeito reduz temporariamente a viscosidade do fluido, facilita o processamento de compósitos viscosos.

Uma sequência de imagens de alta velocidade (de a a f) que ilustra a esfoliação sonomecânica de uma lamela de grafite em água utilizando o UP200S, um sonicador de 200W com sonotrodo de 3-mm. As setas mostram o local de separação (esfoliação), com bolhas de cavitação a penetrarem na fenda.
(Estudo e imagens:© Tyurnina et al. 2020)

Comparação de diferentes nanocargas dispersas em endurecedor (sonicação–US): (a) 0,5 wt% de nanofibra de carbono (CNF); (b) 0,5 wt% de CNToxi; (c) 0,5 wt% de nanotubo de carbono (CNT); (d) 0,5 wt% de CNT parcialmente disperso.
(Estudo e imagem: © Zanghellini et al., 2021)

Sonicadores de alta potência para formular adesivos de elevado desempenho

A Hielscher Ultrasonics é especialista em equipamentos ultrassónicos de elevado desempenho para o processamento de líquidos e suspensões. Os dispersores ultrassónicos permitem processar materiais de elevada viscosidade, como resinas com elevado teor de cargas, e asseguram a distribuição uniforme dos nanomateriais nos compósitos.
O controlo preciso dos parâmetros do processo ultrassónico, como amplitude, energia fornecida, temperatura, pressão e tempo, permite ajustar os adesivos à escala nanométrica.
Quer a sua formulação exija a dispersão de nanocargas orgânicas ou inorgânicas, como nanotubos, nanocristais de celulose (CNCs), nanofibras ou nanometais, a Hielscher Ultrasonics dispõe da instalação ultrassónica ideal para a sua formulação de adesivo.
Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas e são capazes de desaglomerar e dispersar nanomateriais mesmo a viscosidades muito elevadas. É possível operar facilmente e de forma contínua com amplitudes de até 200µm em funcionamento 24/7.
Os sonicadores Hielscher são reconhecidos pela sua qualidade, fiabilidade e robustez. A Hielscher Ultrasonics é uma empresa com certificação ISO e dá especial importância a sonicadores de elevado desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os sonicadores Hielscher estão em conformidade com os requisitos CE e cumprem os requisitos UL, CSA e RoHs.
A tabela abaixo dá uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores: