Диспергирование углеродных нанотрубок в чернилах, пригодных для 3D-печати

Равномерное распределение УНТ в чернилах, пригодных для 3D-печати, может улучшить свойства чернил и обеспечить новые возможности их применения в различных областях. Ультразвуковая обработка зондового типа является высоконадежным методом диспергирования для получения стабильных наносуспензий УНТ в полимерах.

Эффективное и стабильное диспергирование УНТ в полимерах за счет ультразвука

Углеродные нанотрубки (УНТ) часто диспергируются в кремниевых маслах для различных применений благодаря своим уникальным свойствам. Диспергирование УНТ в кремниевых маслах может улучшить механические, термические и электрические свойства получаемых материалов. Одним из таких применений является изготовление легированных УНТ полимеров для проводящих 3D-печатных чернил, например, для аддитивного производства носимых тактильных датчиков, каркасов регенерации тканей для конкретного пациента и гибких электродов для ЭКГ и ЭЭГ.
Кроме того, УНТ, диспергированные в кремниевых маслах, могут использоваться в качестве проводящих чернил в электронных устройствах, таких как гибкие дисплеи и датчики. УНТ действуют как проводящие пути, пропуская электрический ток.

Преимущества ультразвуковой дисперсии УНТ/полимеров

Ультразвуковая технология является очень эффективным методом диспергирования, который имеет ряд преимуществ. К преимуществам ультразвукового диспергирования углеродных нанотрубок (УНТ) в полимерах можно отнести:

Общий протокол ультразвукового производства композитов CNT/PDMS

Ультразвук используется для диспергирования многочисленных наноразмерных материалов в полимерах. Специфическим и широко используемым применением является диспергирование углеродных нанотрубок (УНТ) в диметилполисилоксане (PDMS) с использованием ультразвуковой обработки зондового типа. Для диспергирования УНТ в матрице PDMS с помощью силового ультразвука и результирующих эффектов акустической кавитации распутывают нанотрубки и равномерно смешивают их в наносуспензию. Ультразвуковая обработка зондового типа является мощным методом диспергирования УНТ благодаря своей 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 просто в эксплуатации.
Процесс диспергирования с использованием ультразвуковой обработки зондового типа обычно включает в себя 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 при использовании тетрагидрофурана (ТГФ), ацетона или хлороформа (сортируются по лучшим результатам).
2. Ультразвуковая обработка с помощью зонда: Смесь подвергается ультразвуковой обработке с помощью ультразвукового зонда высокой интенсивности, который генерирует ультразвуковые волны с частотой около 20 кГц. В зависимости от объема и рецептуры, ультразвук обычно проводится в течение нескольких минут для обеспечения полного диспергирования 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 распределения УНТ.

Таким образом, ультразвуковая обработка зондового типа является мощным методом диспергирования УНТ в полимерах, таких как PDMS, благодаря своей способности генерировать интенсивные кавитационные силы, которые могут эффективно разрушать и диспергировать агломерированные УНТ.

Тематические исследования ультразвукового изготовления УНТ/полимерных композитов

Диспергирование нанотрубок и других наноматериалов на основе углерода с помощью зондового ультразвука было широко исследовано и впоследствии внедрено в промышленное производство. Ниже мы представляем несколько исследований, которые демонстрируют исключительную эффективность диспергирования ультразвуковых нанотрубок.

Ультразвуковое диспергирование УНТ в PDMS для носимых датчиков

Del Bosque et al. (2022) сравнили трехвалковое фрезерование и ультразвук на предмет их эффективности диспергирования УНТ. Анализ процедуры диспергирования наночастиц в полимерную матрицу показывает, что метод ультразвуковой обработки обеспечивает более высокую электрическую чувствительность по сравнению с трехвалковым фрезерованием за счет более высокой однородности распределения УНТ, индуцированного кавитационными силами. При испытаниях различных нагрузок УНТ порог перколяции системы УНТ-PDMS, то есть критическое содержание УНТ, при котором она становится электропроводящей, составило 0,4 масс.% УНТ. Многостенные углеродные нанотрубки (MWCNT) диспергировали ультразвуком с использованием ультразвукового UP400ST Hielscher (см. рисунок слева) с частотой 0,5 импульсных циклов и амплитудой 50 % в течение 2 часов. Эффекты ультразвукового диспергирования в течение времени ультразвуковой обработки показаны на рисунке ниже.
На основании этого анализа были выбраны оптимальные условия для изготовления носимых датчиков с концентрацией 0,4 мас.% УНТ с помощью ультразвукового процесса. В связи с этим анализ электрического отклика при последовательных циклах нагружения показал высокую робастность разработанных датчиков, без наличия повреждений при деформации 2%, 5% и 10%, что делает эти датчики надежными для контроля деформации среды.

Ультразвуковое диспергирование ЖМТ в ПДМС с помощью ультразвукового аппарата UP400St при различных временах ультразвуковой обработки.
(Исследование и изображение: ©дель Боске и др., 2022)

Высокопроизводительное ультразвуковое диспергирующее оборудование для нанокомпозитов УНТ/полимеров

Hielscher Ultrasonics производит мощные ультразвуковые преобразователи 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 энергопотребление, ультразвуковые диспергаторы зондов могут повысить производительность и снизить эксплуатационные расходы предприятий в различных отраслях промышленности.
Ультразвуковые аппараты Hielscher также могут быть настроены в соответствии с конкретными требованиями, с возможностью выбора различных размеров зондов, усилительных рупоров, уровней мощности и проточных ячеек, что делает их универсальными и адаптируемыми к различным наносоставам и объемам.
В целом, ультразвуковые зондовые диспергаторы являются отличной инвестицией для лабораторий и отраслей, стремящихся оптимизировать свои рабочие процессы обработки наноматериалов и достичь 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 в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвукаторы Hielscher надежно справляются с суровыми условиями и требовательными средами.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: