Dispersia nanotuburilor de carbon în cerneluri imprimabile 3D

O dispersie uniformă a CNT-urilor în cernelurile imprimabile 3D poate îmbunătăți proprietățile cernelii și poate permite noi aplicații în diverse domenii. Ultrasonicarea cu sondă este o tehnică de dispersare extrem de fiabilă pentru producerea de nanosuspensii stabile de CNT-uri în polimeri.

Dispersie eficientă și stabilă a CNT-urilor în polimeri datorită sonicării

Nanotuburile de carbon (CNT) sunt adesea dispersate în uleiuri de siliciu pentru diverse aplicații, datorită proprietăților lor unice. Dispersia CNT-urilor în uleiuri de siliciu poate îmbunătăți proprietățile mecanice, termice și electrice ale materialelor rezultate. O astfel de aplicație este fabricarea de polimeri dopați cu CNT pentru cerneluri conductoare imprimabile 3D, de exemplu, pentru fabricația aditivă pe bază biologică a senzorilor tactili purtabili, a schelelor pentru regenerarea tisulară specifice pacientului și a electrozilor flexibili pentru ECG și EEG.
În plus, CNT-urile dispersate în uleiuri de siliciu pot fi utilizate drept cerneluri conductoare în dispozitive electronice, cum ar fi afișajele și senzorii flexibili. CNT-urile acționează ca trasee conductoare, permițând trecerea curentului electric.

Avantajele dispersiei cu ultrasunete CNT/polimer

Ultrasonicarea este o tehnică de dispersare foarte eficientă, care oferă mai multe beneficii. Avantajele dispersării cu ultrasunete a nanotuburilor de carbon (CNT) în polimeri includ:

Protocol general pentru producerea cu ultrasunete a compozitelor CNT/PDMS

Ultrasonicarea este utilizată pentru dispersia a numeroase materiale de dimensiuni nanometrice în polimeri. O aplicație specifică și frecvent utilizată este dispersia nanotuburilor de carbon (CNT) în dimetilpolisiloxan (PDMS) prin sonicare cu sondă. Pentru a dispersa CNT-urile în matricea de PDMS, se utilizează ultrasunetele de putere și efectele rezultate ale cavitației acustice, care descâlcesc nanotuburile și le amestecă uniform într-o nanosuspensie. Sonicarea cu sondă este o metodă puternică de dispersare a CNT-urilor datorită capacității sale de a genera forțe de cavitație intense, care pot descompune și dispersa eficient CNT-urile aglomerate.
Dispersarea cu ultrasunete este o etapă de procesare simplă, care nu necesită niciun pre- sau post-tratament specific. Echipamentul cu ultrasunete în sine este sigur și ușor de operat.
Procesul de dispersie prin sonicare cu sondă implică de obicei următoarele etape:

1. Prepararea amestecului CNT-PDMS: O cantitate prestabilită de CNT-uri este adăugată în matricea de PDMS și preamestecată cu ajutorul unui agitator mecanic. Interesant este că, prin predispersarea CNT-urilor într-un solvent, conductivitatea electrică a putut fi crescută. Cele mai bune rezultate se obțin cu tetrahidrofuran (THF), acetonă sau cloroform (în ordinea celor mai bune rezultate).
2. Sonicarea cu sondă: Amestecul este supus sonicării cu sondă folosind o sondă ultrasonică de mare intensitate, care generează unde ultrasonice cu o frecvență de obicei de aprox. 20 kHz. În funcție de volum și formulare, sonicarea se efectuează de obicei timp de câteva minute pentru a asigura dispersia completă a CNT-urilor.
3. Monitorizarea dispersiei: Dispersia CNT-urilor este monitorizată prin tehnici precum microscopia electronică de baleiaj (SEM), microscopia electronică prin transmisie (TEM) sau spectroscopia UV-Vis. Aceste tehnici pot fi utilizate pentru a vizualiza distribuția CNT-urilor în matricea de PDMS și pentru a verifica dacă CNT-urile sunt dispersate uniform.

În concluzie, sonicarea cu sondă este o metodă puternică de dispersare a CNT-urilor în polimeri precum PDMS, datorită capacității sale de a genera forțe de cavitație intense, care pot descompune și dispersa eficient CNT-urile aglomerate.

Studii de caz privind fabricarea cu ultrasunete a compozitelor CNT/polimer

Dispersia nanotuburilor și a altor nanomateriale pe bază de carbon prin ultrasonicare cu sondă a fost cercetată pe larg și a fost ulterior implementată în producția industrială. Mai jos prezentăm câteva studii de cercetare care demonstrează eficiența excepțională a dispersiei nanotuburilor cu ultrasunete.

Dispersia cu ultrasunete a CNT-urilor în PDMS pentru senzori purtabili

Del Bosque et al. (2022) au comparat măcinarea cu trei cilindri și sonicarea din punctul de vedere al eficacității dispersiei CNT-urilor. Analiza procedurii de dispersie a nanoparticulelor în matricea polimerică arată că tehnica de ultrasonicare oferă o sensibilitate electrică mai mare în comparație cu măcinarea cu trei cilindri, datorită omogenității mai ridicate a distribuției CNT-urilor induse de forțele de cavitație. Testând diverse încărcări de CNT, s-a constatat că pragul de percolare al sistemului CNT-PDMS, adică conținutul critic de CNT la care acesta devine conductor electric, este de 0,4 wt% CNT. Nanotuburile de carbon cu pereți multipli (MWCNT) au fost dispersate prin ultrasonicare folosind ultrasonicatorul Hielscher UP400St (vedeți imaginea din stânga) la 0,5 cicluri de puls și 50 % amplitudine timp de 2h. Efectele dispersării cu ultrasunete pe parcursul timpului de sonicare sunt prezentate în imaginea de mai jos.
Pe baza acestei analize, condițiile optime pentru fabricarea senzorilor purtabili au fost stabilite la 0,4 wt.% CNT, prin intermediul unui proces de ultrasonicare. În acest sens, o analiză a răspunsului electric sub cicluri de încărcare consecutive a evidențiat o robustețe ridicată a senzorilor dezvoltați, fără nicio prezență a deteriorării la deformări de 2%, 5% și 10%, ceea ce face ca acești senzori să fie fiabili pentru monitorizarea deformărilor medii.

Dispersia cu ultrasunete a MWCNT-urilor în PDMS folosind ultrasonicatorul UP400St la diferite durate de sonicare.
(Studiu și imagine: ©del Bosque et al., 2022)

Echipamente de înaltă performanță pentru dispersarea cu ultrasunete a nanocompozitelor CNT/polimer

Hielscher Ultrasonics produce sonde ultrasonice de mare putere pentru aplicații de dispersare solicitante în laborator, la scară de banc și în industrie. Dispersoarele Hielscher Ultrasonics asigură omogenizarea și dispersia eficientă și precisă a nanomaterialelor în solvenți, polimeri și compozite.
Datorită tehnologiei lor ultrasonice avansate, aceste dispersoare oferă o soluție rapidă și simplă pentru obținerea unei distribuții uniforme a dimensiunii particulelor, a unor dispersii stabile și/sau a funcționalizării nanoparticulelor.
Prin reducerea timpului de procesare și minimizarea consumului de energie, dispersoarele ultrasonice cu sondă pot îmbunătăți productivitatea și pot reduce costurile operaționale pentru companii dintr-o varietate de industrii.
Ultrasonicatoarele Hielscher pot fi, de asemenea, personalizate pentru a se potrivi cerințelor specifice, cu opțiuni pentru o gamă de dimensiuni ale sonotrodelor, boostere, niveluri de putere și celule de flux, ceea ce le face versatile și adaptabile la diverse nanoformulări și volume.
În ansamblu, dispersoarele ultrasonice cu sondă reprezintă o investiție excelentă pentru laboratoarele și industriile care doresc să își optimizeze fluxurile de lucru pentru procesarea nanomaterialelor și să obțină rezultate consecvente și fiabile.

Proiectare, producție și consultanță – Calitate Made in Germany

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalațiile industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate în mod fiabil de ultrasonicatoarele Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicatoare de înaltă performanță, dotate cu tehnologie de ultimă generație și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicatoarele Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: