Равномерная дисперсия УНТ в чернилах, пригодных для 3D-печати, может улучшить свойства чернил и обеспечить новые применения в различных областях. Ультразвук зондового типа является высоконадежным методом диспергирования для получения стабильных наносуспензий УНТ в полимерах.

Эффективная и стабильная дисперсия УНТ в полимерах из-за обработки ультразвуком

Углеродные нанотрубки (УНТ) часто диспергируются в кремниевых маслах для различных применений из-за их уникальных свойств. Дисперсия УНТ в кремниевых маслах может улучшить механические, тепловые и электрические свойства полученных материалов. Одним из таких применений является изготовление легированных УНТ полимеров для проводящих 3D-печатных чернил, например, для аддитивного производства носимых тактильных датчиков на биологической основе, каркасов регенерации тканей для конкретного пациента и гибких электродов ЭКГ и ЭЭГ.
Кроме того, УНТ, диспергированные в кремниевых маслах, можно использовать в качестве проводящих чернил в электронных устройствах, таких как гибкие дисплеи и датчики. УНТ действуют как проводящие пути, обеспечивая протекание электрического тока.

Преимущества ультразвуковой УНТ / полимерной дисперсии

Ультразвук является очень эффективным методом диспергирования, который имеет несколько преимуществ. К преимуществам ультразвукового диспергирования углеродных нанотрубок (УНТ) в полимерах относятся:

Общий протокол ультразвукового производства композитов CNT/PDMS

Ультразвук используется для диспергирования многочисленных наноразмерных материалов в полимерах. Специфическим и широко используемым применением является дисперсия углеродных нанотрубок (УНТ) в диметилполисилоксане (ПДМС) с использованием ультразвука зондового типа. Чтобы диспергировать УНТ в матрице PDMS, силовой ультразвук и результирующие эффекты акустической кавитации используются для распутывания нанотрубок и их равномерного смешивания в наносуспензию. Обработка ультразвуком зондового типа является мощным методом диспергирования УНТ из-за его способности генерировать интенсивные кавитационные силы, которые могут эффективно разрушать и диспергировать агломерированные УНТ.
Ультразвуковое диспергирование - это простой этап обработки, который не требует специальной предварительной или последующей обработки. Само ультразвуковое оборудование безопасно и простое в эксплуатации.
Процесс дисперсии с использованием ультразвука зондового типа обычно включает следующие этапы:

1. Приготовление смеси CNT-PDMS: Заданное количество УНТ добавляется в матрицу PDMS и предварительно перемешивается с помощью механической мешалки. Интересно, что путем предварительного диспергирования УНТ в растворителе электропроводность может быть увеличена. Наилучшие результаты достигаются тетрагидрофураном (ТГФ), ацетоном или хлороформом (отсортированными по лучшим результатам).
2. Обработка ультразвуком зондового типа: Смесь подвергается ультразвуковой обработке зондового типа с использованием высокоинтенсивного ультразвукового зонда, который генерирует ультразвуковые волны с частотой, как правило, около 20 кГц. В зависимости от объема и состава, обработка ультразвуком обычно проводится в течение нескольких минут, чтобы обеспечить полную дисперсию УНТ.
3. Контроль дисперсии: Дисперсия УНТ контролируется с помощью таких методов, как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) или УФ-ВИД спектроскопия. Эти методы могут быть использованы для визуализации распределения УНТ в матрице PDMS и для обеспечения равномерного диспергирования УНТ.

Таким образом, обработка ультразвуком зондового типа является мощным методом диспергирования УНТ в полимерах, таких как PDMS, из-за его способности генерировать интенсивные кавитационные силы, которые могут эффективно разрушать и диспергировать агломерированные УНТ.

Тематические исследования ультразвукового изготовления УНТ / полимерных композитов

Дисперсия нанотрубок и других наноматериалов на основе углерода с использованием ультразвука зондового типа была широко исследована и впоследствии внедрена в промышленное производство. Ниже мы представляем несколько исследований, которые демонстрируют исключительную эффективность ультразвуковой дисперсии нанотрубок.

Ультразвуковая дисперсия УНТ в PDMS для носимых датчиков

Del Bosque et al. (2022) сравнили трехвалковое фрезерование и обработку ультразвуком на предмет их эффективности дисперсии УНТ. Анализ процедуры диспергирования наночастиц в полимерной матрице показывает, что метод ультразвука обеспечивает более высокую электрическую чувствительность по сравнению с трехвалковым фрезерованием из-за более высокой однородности распределения УНТ, вызванного кавитационными силами. При тестировании различных нагрузок УНТ было обнаружено, что порог перколяции системы CNT-PDMS, то есть критическое содержание УНТ, при котором она становится электропроводящей, составляет 0,4 мас.% УНТ. Многостенные углеродные нанотрубки (MWCNT) были диспергированы ультразвуком с использованием ультразвукового аппарата Hielscher UP400ST (см. Рисунок слева) с циклами импульсов 0,5 и амплитудой 50% в течение 2 часов. Эффекты ультразвукового диспергирования в течение времени обработки ультразвуком показаны на рисунке ниже.
Основываясь на этом анализе, оптимальные условия для производства носимых датчиков были выбраны как 0,4 мас.% УНТ с помощью процесса ультразвука. В связи с этим анализ электрического отклика при последовательных циклах нагрузки показал высокую надежность разработанных датчиков без каких-либо повреждений при деформации 2%, 5% и 10%, что делает данные датчики надежными для контроля деформации среды.

Ультразвуковая дисперсия MWCNT в PDMS с использованием ультразвукового аппарата UP400St в разное время обработки ультразвуком.
(Исследование и изображение: ©del Bosque et al., 2022)

Высокопроизводительное ультразвуковое диспергирующее оборудование для УНТ / полимерных нанокомпозитов

Hielscher Ultrasonics производит мощные ультразвуковые датчики для сложных диспергирующих применений в лабораториях, настольных и промышленных условиях. Ультразвуковые диспергаторы Hielscher обеспечивают эффективную и точную гомогенизацию и диспергирование наноматериалов в растворителях, полимерах и композитах.
Благодаря передовой ультразвуковой технологии эти диспергаторы предлагают быстрое и простое решение для достижения равномерного распределения частиц по размерам, стабильных дисперсий и / или функционализации наночастиц.
Сокращая время обработки и минимизируя потребление энергии, ультразвуковые зондовые диспергаторы могут повысить производительность и снизить эксплуатационные расходы для предприятий в различных отраслях промышленности.
Ультразвуковые аппараты Hielscher также могут быть настроены в соответствии с конкретными требованиями, с вариантами для диапазона размеров зондов, бустерных звуков, уровней мощности и проточных ячеек, что делает их универсальными и адаптируемыми к различным нано-составам и объемам.
В целом, ультразвуковые зондовые диспергаторы являются отличной инвестицией для лабораторий и отраслей, стремящихся оптимизировать свои рабочие процессы обработки наноматериалов и добиться стабильных и надежных результатов.

Проектирование, производство и консалтинг – Качество Сделано в Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота эксплуатации обеспечивают плавную интеграцию наших ультразвуковых аппаратов в промышленные объекты. Суровые условия и сложные условия надежно обрабатываются ультразвуковыми аппаратами Hielscher.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, оснащенным самыми современными технологиями и удобством для пользователя. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов: