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. Ultrasonication tip sondă este o tehnică de dispersie extrem de fiabilă pentru a produce nanosuspensii stabile de CNT în polimeri.

Dispersie CNT eficientă și stabilă 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 uleiurile de siliciu poate îmbunătăți proprietățile mecanice, termice și electrice ale materialelor rezultate. O astfel de aplicație este fabricarea polimerilor dopați cu CNT pentru cerneluri conductive imprimabile 3D, de exemplu, pentru fabricarea aditivă bio a senzorilor tactili portabili, a schelelor de regenerare a țesuturilor specifice pacientului și a electrozilor flexibili ECG și EEG.
În plus, CNT-urile dispersate în uleiuri de siliciu pot fi utilizate ca cerneluri conductoare în dispozitive electronice, cum ar fi afișaje flexibile și senzori. CNT-urile acționează ca căi conductoare, permițând fluxul de curent electric.

Avantajele ultrasonice CNT / dispersie polimer

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

Protocol general pentru producția cu ultrasunete de compozite CNT / PDMS

Ultrasonication este utilizat pentru dispersia a numeroase materiale nano-dimensiuni în polimeri. O aplicație specifică și frecvent utilizată este dispersia nanotuburilor de carbon (CNT) în dimetilpolisiloxan (PDMS) folosind sonicare de tip sondă. Pentru a dispersa CNT-urile în matricea PDMS, ultrasunetele de putere și efectele cavitației acustice rezultate sunt utilizate pentru a descurca nanotuburile și a le amesteca uniform într-o nanosuspensie. Sonicare de tip sondă este o metodă puternică pentru dispersarea CNT datorită capacității sale de a genera forțe intense de cavitație care pot rupe în mod eficient și dispersa CNT aglomerate.
Dispersarea cu ultrasunete este o etapă simplă de procesare care nu necesită pre- sau post-tratament specific. Echipamentul cu ultrasunete în sine este sigur și ușor de operat.
Procesul de dispersie folosind sonicare de tip sondă implică de obicei următorii pași:

1. Prepararea amestecului CNT-PDMS: O cantitate predeterminată de CNT este adăugată la matricea PDMS și sunt preamestecate folosind agitator mecanic. Interesant, prin pre-dispersarea CNT într-un solvent, conductivitatea electrică ar putea fi crescută. Cele mai bune rezultate sunt obținute prin tetrahidrofuran (THF), acetonă sau cloroform (sortate după cele mai bune rezultate).
2. Sondă de tip sonicare: Amestecul este supus sonicării de tip sondă folosind o sondă cu ultrasunete de înaltă intensitate care generează unde cu ultrasunete cu o frecvență de obicei de aproximativ 20 kHz. În funcție de volum și formulare, sonicare se efectuează de obicei timp de câteva minute pentru a asigura dispersia completă a CNT-urilor.
3. Monitorizarea dispersiei: Dispersia CNT este monitorizată folosind tehnici precum microscopia electronică de scanare (SEM), microscopia electronică de transmisie (TEM) sau spectroscopia UV-Vis. Aceste tehnici pot fi folosite pentru a vizualiza distribuția CNT-urilor în matricea PDMS și pentru a se asigura că CNT-urile sunt dispersate uniform.

Pe scurt, sonicare de tip sondă este o metodă puternică pentru dispersarea CNT în polimeri, cum ar fi PDMS, datorită capacității sale de a genera forțe intense de cavitație care pot rupe și dispersa în mod eficient CNT aglomerate.

Studii de caz de fabricație cu ultrasunete de compozite CNT / polimer

Dispersia nanotuburilor și a altor nanomateriale pe bază de carbon folosind ultrasonication de tip sondă a fost cercetată pe larg și a fost ulterior implementată în producția industrială. Mai jos, vom prezenta câteva studii de cercetare, care demonstrează eficiența excepțională a dispersiei nanotuburilor cu ultrasunete.

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

Del Bosque și colab. (2022) au comparat frezarea cu trei role și sonicarea pentru eficacitatea dispersiei CNT. Analiza procedurii de dispersie a nanoparticulelor în matricea polimerică arată că tehnica ultrasonication oferă o sensibilitate electrică mai mare în comparație cu frezarea cu trei role datorită omogenității mai mari a distribuției CNT indusă de forțele de cavitație. Testând diferite încărcări CNT, pragul de percolare al sistemului CNT-PDMS, adică conținutul critic CNT în care devine conductiv electric, s-a dovedit a fi de 0,4% CNT în greutate. Multi-perete nanotuburi de carbon (MWCNTs) au fost dispersate prin ultrasonication folosind ultrasonicator Hielscher UP400ST (a se vedea imaginea din stânga) la 0,5 cicluri de impulsuri și 50 % amplitudine pentru 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 selectate ca 0,4 greutate CNT prin intermediul unui proces de ultrasonication. În acest sens, o analiză a răspunsului electric în cicluri consecutive de sarcină a arătat o robustețe ridicată a senzorilor dezvoltați, fără prezența deteriorării la 2%, 5% și 10% tensiune, ceea ce face ca acești senzori să fie fiabili pentru monitorizarea tensiunii medii.

Dispersia cu ultrasunete a MWCNTs în PDMS folosind ultrasonicator UP400St la diferite momente sonicare.
(Studiu și imagine: ©del Bosque și colab., 2022)

Echipamente de dispersie cu ultrasunete de înaltă performanță pentru nanocompozite CNT / polimer

Hielscher Ultrasonics producătorii sonde cu ultrasunete de mare putere pentru aplicații solicitante dispersie în laborator, banc-top și industrie. Hielscher Ultrasonics dispersoare asigura omogenizarea eficientă și precisă și dispersia nanomaterialelor în solvenți, polimeri și compozite.
Cu tehnologia lor avansată cu ultrasunete, aceste dispersoare oferă o soluție rapidă și ușoară pentru realizarea unei distribuții uniforme a dimensiunii particulelor, dispersii stabile și / sau funcționalizarea nanoparticulelor.
Prin reducerea timpului de procesare și minimizarea consumului de energie, dispersoarele sondei cu ultrasunete pot îmbunătăți productivitatea și pot reduce costurile operaționale pentru întreprinderile dintr-o varietate de industrii.
Hielscher ultrasonicators pot fi, de asemenea, personalizate pentru a se potrivi cerințelor specifice, cu opțiuni pentru o gamă de dimensiuni sondă, coarne de rapel, niveluri de putere, și celule de flux, făcându-le versatile și adaptabile la diferite nano-formulări și volume.
În general, dispersoarele cu sondă cu ultrasunete reprezintă o investiție excelentă pentru laboratoarele și industriile care doresc să-și optimizeze fluxurile de lucru de procesare a nanomaterialelor și să obțină rezultate consistente și fiabile.

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt manipulate în mod fiabil de ultrasonicators Hielscher.

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

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: