Диспергирование углеродных нанотрубок в чернилах для 3D-печати

Равномерное диспергирование CNT в чернилах для 3D-печати может улучшить свойства чернил и открыть новые возможности применения в различных областях. Обработка ультразвуком с помощью зонда – высоконадёжный метод диспергирования для получения стабильных наносуспензий CNT в полимерах.

Эффективное и стабильное диспергирование CNT в полимерах благодаря обработке ультразвуком

Углеродные нанотрубки (CNT) благодаря своим уникальным свойствам часто диспергируют в маслах кремния для различных применений. Диспергирование CNT в маслах кремния может улучшить механические, тепловые и электрические свойства получаемых материалов. Одно из таких применений – изготовление полимеров с добавлением CNT для электропроводящих чернил для 3D-печати, например для аддитивного производства на биологической основе носимых тактильных датчиков, индивидуальных каркасов для регенерации тканей пациентов и гибких электродов для ЭКГ и ЭЭГ.
Кроме того, CNT, диспергированные в маслах кремния, могут использоваться в качестве электропроводящих чернил в электронных устройствах, таких как гибкие дисплеи и датчики. CNT образуют проводящие пути, обеспечивающие протекание электрического тока.

Преимущества ультразвукового диспергирования CNT в полимерах

Обработка ультразвуком – очень эффективный метод диспергирования, обладающий рядом преимуществ. Преимущества ультразвукового диспергирования углеродных нанотрубок (CNT) в полимерах включают:

Общий протокол ультразвукового получения композитов CNT/PDMS

Обработка ультразвуком используется для диспергирования многочисленных наноразмерных материалов в полимерах. Конкретное и широко распространённое применение – диспергирование углеродных нанотрубок (CNT) в диметилполисилоксане (PDMS) с помощью ультразвукового зонда. Для диспергирования CNT в матрице PDMS используют мощный ультразвук и вызываемые им эффекты акустической кавитации, чтобы распутать нанотрубки и равномерно распределить их, получая наносуспензию. Обработка ультразвуком с помощью зонда – мощный метод диспергирования CNT благодаря способности создавать интенсивные кавитационные силы, которые могут эффективно разрушать агломераты CNT и диспергировать их.
Ультразвуковое диспергирование – простой этап обработки, не требующий специальной предварительной или последующей обработки. Само ультразвуковое оборудование безопасно и просто в эксплуатации.
Процесс диспергирования с помощью ультразвукового зонда обычно включает следующие этапы:

1. Подготовка смеси CNT-PDMS: Заранее определённое количество CNT добавляют в матрицу PDMS и предварительно перемешивают механической мешалкой. Интересно, что предварительное диспергирование CNT в растворителе могло бы повысить электропроводность. Наилучшие результаты достигаются при использовании тетрагидрофурана (THF), ацетона или хлороформа (перечислены в порядке от лучших результатов).
2. Обработка ультразвуком с помощью зонда: Смесь подвергают обработке ультразвуком с помощью высокоинтенсивного ультразвукового зонда, создающего ультразвуковые волны с частотой, обычно составляющей около 20 kHz. В зависимости от объёма и состава обработку ультразвуком обычно проводят в течение нескольких минут, чтобы обеспечить полное диспергирование CNT.
3. Контроль диспергирования: Диспергирование CNT контролируют с помощью таких методов, как сканирующая электронная микроскопия (SEM), просвечивающая электронная микроскопия (TEM) или спектроскопия в ультрафиолетовой и видимой областях (UV-Vis). Эти методы можно использовать для визуализации распределения CNT в матрице PDMS и проверки равномерности их диспергирования.

Таким образом, обработка ультразвуком с помощью зонда – мощный метод диспергирования CNT в полимерах, таких как PDMS, благодаря способности создавать интенсивные кавитационные силы, которые могут эффективно разрушать агломераты CNT и диспергировать их.

Примеры исследований ультразвукового изготовления композитов CNT/полимер

Диспергирование нанотрубок и других наноматериалов на основе углерода с помощью ультразвукового зонда было подробно исследовано и впоследствии внедрено в промышленное производство. Ниже представлены несколько исследований, демонстрирующих исключительную эффективность ультразвукового диспергирования нанотрубок.

Ультразвуковое диспергирование CNT в PDMS для носимых датчиков

Del Bosque и соавт. (2022) сравнили эффективность диспергирования CNT при обработке на трёхвалковой мельнице и при обработке ультразвуком. Анализ процесса диспергирования наночастиц в полимерной матрице показывает, что ультразвуковой метод обеспечивает более высокую электрическую чувствительность по сравнению с обработкой на трёхвалковой мельнице благодаря более однородному распределению CNT под действием кавитационных сил. При испытании различных содержаний CNT было установлено, что порог перколяции системы CNT-PDMS, то есть критическое содержание CNT, при котором она становится электропроводящей, составляет 0,4 wt% CNT. Многостенные углеродные нанотрубки (MWCNT) диспергировали обработкой ультразвуком с помощью ультразвукового аппарата Hielscher UP400St (см. изображение слева) при доле времени включения в импульсном цикле 0,5 и амплитуде 50 % в течение 2h. Влияние ультразвукового диспергирования при различной продолжительности обработки ультразвуком показано на изображении ниже.
На основании этого анализа в качестве оптимальных условий изготовления носимых датчиков были выбраны содержание CNT 0,4 wt.% и обработка ультразвуком. При этом анализ электрического отклика при последовательных циклах нагружения показал высокую устойчивость разработанных датчиков без каких-либо повреждений при деформациях 2%, 5% и 10%, что делает эти датчики надёжными для контроля умеренных деформаций.

Ультразвуковое диспергирование MWCNT в PDMS с помощью ультразвукового аппарата UP400St при различной продолжительности обработки ультразвуком.
(Исследование и изображение: ©del Bosque et al., 2022)

Высокопроизводительное ультразвуковое оборудование для диспергирования нанокомпозитов CNT/полимер

Hielscher Ultrasonics производит мощные ультразвуковые зонды для сложных задач диспергирования в лабораторных, настольных и промышленных установках. Диспергаторы Hielscher Ultrasonics 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, получения стабильных дисперсий и/или функционализации наночастиц.
Сокращая время обработки и сводя к минимуму энергопотребление, ультразвуковые зондовые диспергаторы могут повысить производительность и снизить эксплуатационные расходы предприятий различных отраслей.
Ультразвуковые аппараты Hielscher также могут быть адаптированы к конкретным требованиям: доступны различные размеры зондов, усилители амплитуды, уровни мощности и проточные ячейки, что обеспечивает их универсальность и возможность адаптации к различным наносоставам и объёмам.
В целом ультразвуковые зондовые диспергаторы – отличное вложение для лабораторий и промышленных предприятий, стремящихся оптимизировать рабочие процессы обработки наноматериалов и получать стабильные, надёжные результаты.

Проектирование, производство и консультирование – качество, созданное в Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют легко интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные установки. Ультразвуковые аппараты Hielscher надёжно работают в суровых условиях и сложных производственных средах.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, сочетающим самые современные технологии и удобство использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и отвечают требованиям UL, CSA и RoHs.

В таблице ниже представлена ориентировочная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: