Adezivi nano-conductivi pentru electronică de înaltă performanță

Dispersoarele cu ultrasunete sunt utilizate ca tehnică fiabilă de amestecare și măcinare în producția de adezivi de înaltă performanță pentru electronică de înaltă performanță și nanoelectronică. În producția de electronică de înaltă performanță, adezivii precum adezivii nano-conductivi sunt foarte căutați. Astfel de adezivi de înaltă performanță sunt utilizați, de exemplu, ca interconexiuni alternative și pot înlocui aliajul de lipit staniu/plumb.

Adezivi de înaltă performanță pentru electronică de înaltă performanță

Pentru producția de electronică de înaltă performanță sunt necesari adezivi cu aderență ridicată la metal și conductivitate termică pentru decuplarea termică și izolare. Nanoparticule precum argintul, nichelul, grafena, oxidul de grafenă și nanotuburile de carbon (CNT) sunt frecvent încorporate în rășini epoxidice și polimeri pentru a obține proprietățile funcționale dorite, cum ar fi conductivitatea electrică sau izolarea, conductivitatea termică, rezistența la tracțiune, modulul lui Young și flexibilitatea. Adezivii de înaltă performanță dezvoltați pentru electronica de înaltă performanță folosesc umpluturi metalice (cum ar fi nanoparticule de argint, aur, nichel sau cupru) pentru a asigura conductivitatea electrică. Pentru a valorifica proprietățile extraordinare ale acestor materiale, dimensiunea lor trebuie redusă la scară nanometrică. Deoarece reducerea dimensiunii și dispersarea nanoparticulelor reprezintă o sarcină dificilă, o tehnologie puternică de măcinare și dispersare este esențială pentru formulări de adezivi reușite.

Dispersarea cu ultrasunete oferă diverse avantaje în comparație cu tehnicile tradiționale de amestecare și măcinare. Datorită fiabilității și eficacității sale, sonicarea s-a impus în procesarea nanomaterialelor și poate fi întâlnită în orice industrie în care nanoparticulele sunt sintetizate și/sau încorporate în lichide. Prin urmare, ultrasonicarea este tehnica ideală pentru producția de adezivi nano-conductivi care conțin nano-umpluturi precum nanoparticule, nanofire sau nanotuburi de carbon și monostraturi de grafenă (nanofoi).
ECA: Un exemplu notabil este formularea adezivilor conductivi electric (ECA), care sunt compozite alcătuite dintr-o matrice polimerică și umpluturi conductive electric. Pentru a formula adezivul de înaltă performanță pentru aplicații electronice, o rășină polimerică (de ex., epoxidică, siliconică, poliimidică) trebuie să asigure funcționalități fizice și mecanice precum aderența, rezistența mecanică și rezistența la impact, în timp ce umplutura metalică (de ex., nano-argint, nano-aur, nano-nichel sau nano-cupru) creează o conductivitate electrică superioară. Pentru adezivii cu proprietăți izolante, în compozitul adeziv se încorporează umpluturi pe bază minerală.

Înainte și după sonicare: curba verde arată dimensiunea particulelor înainte de sonicare, iar curba roșie reprezintă distribuția dimensiunii particulelor de silice dispersate cu ultrasunete.

Dispersarea cu ultrasunete a nanomaterialelor în adezivi vâscoși

Omogenizatoarele cu ultrasunete sunt foarte eficace atunci când aglomeratele, agregatele și chiar particulele primare trebuie reduse în mod fiabil ca dimensiune. Avantajul mixerelor cu ultrasunete constă în capacitatea lor de a măcina particulele până la dimensiuni mai mici și mai uniforme, indiferent dacă rezultatul vizat al procesului sunt particule micronice sau nanoparticule. În timp ce alte tehnologii, precum mixerele cu lame sau rotor-stator, omogenizatoarele de înaltă presiune, morile cu bile etc., prezintă dezavantaje precum incapacitatea de a produce nanoparticule uniform de mici, contaminarea cu medii de măcinare, duzele înfundate și consumul ridicat de energie, dispersoarele cu ultrasunete utilizează principiul de funcționare al cavitației acustice. Cavitația generată de ultrasunete s-a dovedit a fi foarte eficace, eficientă energetic și capabilă să disperseze chiar și materiale foarte vâscoase, precum pastele încărcate cu nanoparticule.

Cum funcționează dispersarea cu ultrasunete?

Forțele de forfecare cavitaționale și curenții de lichid accelerează particulele astfel încât acestea se ciocnesc între ele. Acest fenomen este cunoscut sub numele de coliziune interparticulară. Particulele însele acționează ca mediu de măcinare, ceea ce evită contaminarea cu bile de măcinare și procesul ulterior de separare, necesar atunci când se folosesc mori cu bile convenționale. Deoarece particulele se sfărâmă prin coliziune interparticulară la viteze foarte mari, de până la 280m/sec, asupra particulelor acționează forțe extraordinar de mari, astfel încât acestea se rup în fragmente minuscule. Frecarea și eroziunea conferă acestor fragmente de particule o suprafață lustruită și o formă uniformă. Combinația dintre forțele de forfecare și coliziunea interparticulară oferă omogenizării și dispersării cu ultrasunete avantajul decisiv de a produce suspensii coloidale și dispersii foarte omogene!
Un alt beneficiu al forțelor de forfecare ridicate generate de ultrasunete este efectul de fluidizare prin forfecare. De exemplu, rășinile epoxidice preparate cu ultrasunete și umplute cu CNT oxidate prezintă un comportament de fluidizare prin forfecare. Deoarece fluidizarea prin forfecare scade temporar vâscozitatea fluidului, procesarea compozitelor vâscoase este facilitată.

O secvență de cadre de mare viteză (de la a la f) care ilustrează exfolierea sono-mecanică a unui fulg de grafit în apă folosind UP200S, un sonicator de 200W cu sonotrodă de 3 mm. Săgețile indică locul despicării (exfolierii), cu bulele de cavitație pătrunzând în fisură.
(Studiu și imagini:© Tyurnina et al. 2020)

Comparație între diferite nano-umpluturi dispersate în întăritor (ultrasonicare – US): (a) 0,5 wt% nanofibră de carbon (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% nanotub de carbon (CNT); (d) 0,5 wt% CNT semi-dispersat.
(Studiu și imagine: © Zanghellini et al., 2021)

Sonicatoare de mare putere pentru formularea adezivilor de înaltă performanță

Hielscher Ultrasonics este specialist în echipamente cu ultrasunete de înaltă performanță pentru procesarea lichidelor și a suspensiilor dense. Dispersoarele cu ultrasunete permit procesarea materialelor foarte vâscoase, precum rășinile cu grad ridicat de umplere, și asigură distribuția uniformă a nanomaterialelor în compozite.
Controlul precis asupra parametrilor procesului cu ultrasunete, precum amplitudinea, aportul de energie, temperatura, presiunea și timpul, permite adaptarea adezivilor în domeniul nanometric.
Indiferent dacă formularea dumneavoastră necesită dispersarea unor nano-umpluturi organice sau anorganice, precum nanotuburi, nanocristale de celuloză (CNC), nanofibre sau nano-metale, Hielscher Ultrasonics are configurația cu ultrasunete ideală pentru formularea adezivului dumneavoastră.
Procesoarele industriale cu ultrasunete de la Hielscher Ultrasonics pot furniza amplitudini foarte mari și sunt capabile să dezaglomereze și să disperseze nanomateriale chiar și la vâscozități foarte ridicate. Amplitudinile de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în funcționare continuă 24/7.
Sonicatoarele Hielscher sunt recunoscute pentru calitatea, fiabilitatea și robustețea lor. Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe sonicatoare de înaltă performanță, dotate cu tehnologie de ultimă generație și ușor de utilizat. Desigur, sonicatoarele 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 sonicatoarelor noastre: