Disperzia uhlíkových nanotrubíc v 3D tlačiteľných atramentoch
Rovnomerný rozptyl CNT v atramentoch na 3D tlač môže zlepšiť vlastnosti atramentu a umožniť nové aplikácie v rôznych oblastiach. Ultrazvuk sondového typu je vysoko spoľahlivá dispergačná technika na výrobu stabilných nanosuspenzií CNT v polyméroch.
Účinná a stabilná disperzia CNT v polyméroch vďaka sonikácii
Uhlíkové nanotrubice (CNT) sú často dispergované v kremíkových olejoch pre rôzne aplikácie vďaka svojim jedinečným vlastnostiam. Disperzia CNT v kremíkových olejoch môže zlepšiť mechanické, tepelné a elektrické vlastnosti výsledných materiálov. Jednou z takýchto aplikácií je výroba polymérov dopovaných CNT pre vodivé 3D tlačiteľné atramenty, napr. na biologickú aditívnu výrobu nositeľných hmatových senzorov, lešenia na regeneráciu tkanív špecifických pre pacienta a flexibilných EKG a EEG elektród.
Okrem toho sa CNT dispergované v kremíkových olejoch môžu použiť ako vodivé atramenty v elektronických zariadeniach, ako sú flexibilné displeje a senzory. CNT pôsobia ako vodivé dráhy, ktoré umožňujú tok elektrického prúdu.
Výhody ultrazvukovej CNT / polymérnej disperzie
Ultrazvuk je veľmi účinná dispergačná technika, ktorá prináša niekoľko výhod. Výhody ultrazvukovej dispergácie uhlíkových nanotrubíc (CNT) v polyméroch zahŕňajú:

Ultrazvukový priemyselný systém pre inline procesy rozpúšťania, napr. rovnomerná disperzia uhlíkových nanorúrok do polymérnych formulácií.
Všeobecný protokol pre ultrazvukovú výrobu kompozitov CNT / PDMS
Ultrazvuk sa používa na disperziu mnohých nanomateriálov v polyméroch. Špecifickou a bežne používanou aplikáciou je disperzia uhlíkových nanotrubíc (CNT) v dimetylpolysiloxáne (PDMS) pomocou sondového typu. Na rozptýlenie CNT do matice PDMS sa na rozmotanie nanotrubíc a ich rovnomerné zmiešanie do nanosuspenzie používa výkonový ultrazvuk a výsledné účinky akustické kavitácie. Sonikácia sondového typu je výkonná metóda na rozptýlenie CNT vďaka svojej schopnosti generovať intenzívne kavitačné sily, ktoré môžu účinne rozbiť a rozptýliť aglomerované CNT.
Ultrazvuková dispergácia je jednoduchý krok spracovania, ktorý nevyžaduje žiadnu špecifickú predbežnú alebo následnú úpravu. Samotné ultrazvukové zariadenie je bezpečné a ľahko ovládateľné.
Proces disperzie pomocou sonikácie typu sondy zvyčajne zahŕňa nasledujúce kroky:
- Príprava zmesi CNT-PDMS: Vopred určené množstvo CNT sa pridá do matice PDMS a vopred sa zmieša pomocou mechanického miešadla. Zaujímavé je, že predbežnou dispergáciou CNT v rozpúšťadle by sa mohla zvýšiť elektrická vodivosť. Najlepšie výsledky sa dosahujú tetrahydrofuránom (THF), acetónom alebo chloroformom (zoradené podľa najlepších výsledkov).
- Sonikácia typu sondy: Zmes sa podrobí sonikácii typu sondy pomocou ultrazvukovej sondy s vysokou intenzitou, ktorá generuje ultrazvukové vlny s frekvenciou typicky cca. 20 kHz. V závislosti od objemu a zloženia sa sonikácia zvyčajne vykonáva niekoľko minút, aby sa zabezpečila úplná disperzia CNT.
- Monitorovanie rozptylu: Disperzia CNT sa monitoruje pomocou techník, ako je skenovacia elektrónová mikroskopia (SEM), transmisná elektrónová mikroskopia (TEM) alebo UV-Vis spektroskopia. Tieto techniky možno použiť na vizualizáciu distribúcie CNT v matici PDMS a na zabezpečenie rovnomerného rozptýlenia CNT.
Stručne povedané, sonikácia sondového typu je účinnou metódou na dispergáciu CNT v polyméroch, ako je PDMS, vďaka svojej schopnosti generovať intenzívne kavitačné sily, ktoré môžu účinne rozbiť a rozptýliť aglomerované CNT.
Prípadové štúdie ultrazvukovej výroby CNT/polymérnych kompozitov
Disperzia nanotrubíc a iných nanomateriálov na báze uhlíka pomocou ultrazvuku typu sondy bola rozsiahlo skúmaná a následne implementovaná do priemyselnej výroby. Nižšie uvádzame niekoľko výskumných štúdií, ktoré demonštrujú výnimočnú účinnosť disperzie ultrazvukových nanotrubíc.
Ultrazvuková disperzia CNT v PDMS pre nositeľné senzory
Del Bosque a kol. (2022) porovnávali trojvalcové frézovanie a sonikáciu z hľadiska ich účinnosti disperzie CNT. Analýza disperzného postupu nanočastíc do polymérnej matrice ukazuje, že ultrazvuková technika poskytuje vyššiu elektrickú citlivosť v porovnaní s trojvalcovým frézovaním v dôsledku vyššej homogenity distribúcie CNT indukovanej kavitačnými silami. Pri testovaní rôznych zaťažení CNT sa zistilo, že prah perkolácie systému CNT-PDMS, teda kritický obsah CNT, v ktorom sa stáva elektricky vodivým, je 0,4 hm. % CNT. Viacstenné uhlíkové nanotrubice (MWCNT) boli rozptýlené ultrazvukom pomocou Hielscherovho ultrazvukového UP400ST (pozri obrázok vľavo) pri 0,5 pulzných cykloch a 50 % amplitúde počas 2 hodín. Účinky ultrazvukovej dispergácie v priebehu času sonikácie sú znázornené na obrázku nižšie.
Na základe tejto analýzy boli pomocou ultrazvukového procesu zvolené optimálne podmienky na výrobu nositeľných senzorov ako 0,4 hm. % CNT. V tomto ohľade analýza elektrickej odozvy pri po sebe idúcich zaťažovacích cykloch preukázala vysokú robustnosť vyvinutých snímačov bez akejkoľvek prítomnosti poškodenia pri 2 %, 5 % a 10 % namáhaní, vďaka čomu sú tieto snímače spoľahlivé na monitorovanie namáhania média.

Ultrazvuková disperzia MWCNT v PDMS pomocou ultrazvuku UP400St v rôznych časoch sonikácie.
(Štúdia a obrázok: ©del Bosque a kol., 2022)
Vysokovýkonné ultrazvukové dispergačné zariadenie pre CNT/polymérne nanokompozity
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové sondy pre náročné dispergované aplikácie v laboratóriách, stoloch a priemysle. Dispergátory Hielscher Ultrasonics poskytujú účinnú a presnú homogenizáciu a disperziu nanomateriálov v rozpúšťadlách, polyméroch a kompozitoch.
Vďaka svojej pokročilej ultrazvukovej technológii ponúkajú tieto dispergátory rýchle a jednoduché riešenie na dosiahnutie rovnomerného rozloženia veľkosti častíc, stabilných disperzií a/alebo funkcionalizácie nanočastíc.
Skrátením času spracovania a minimalizáciou spotreby energie môžu ultrazvukové dispergátory sond zvýšiť produktivitu a znížiť prevádzkové náklady podnikov v rôznych priemyselných odvetviach.
Ultrazvukové prístroje Hielscher je možné tiež prispôsobiť tak, aby vyhovovali špecifickým požiadavkám, s možnosťami pre celý rad veľkostí sond, posilňovacích klaksónov, úrovní výkonu a prietokových článkov, vďaka čomu sú všestranné a prispôsobiteľné rôznym nanoformuláciám a objemom.
Celkovo sú rozprašovače ultrazvukových sond vynikajúcou investíciou pre laboratóriá a priemyselné odvetvia, ktoré chcú optimalizovať svoje pracovné postupy spracovania nanomateriálov a dosiahnuť konzistentné a spoľahlivé výsledky.
Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku
Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie spoľahlivo zvládajú ultrazvukové prístroje Hielscher.
Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
---|---|---|
05 až 1,5 ml | N.A. | VialTweeter | 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!

Ultrazvukový dávkový reaktor na priemyselné spracovanie, napr. začlenenie CNT a iných nanoplnív do polymérov pre 3D tlačiteľné atramenty na aditívne použitie.
Literatúra / Referencie
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
- Kim, J., Hwang, JY., Hwang, H. et al. (2018): Simple and cost-effective method of highly conductive and elastic carbon nanotube/polydimethylsiloxane composite for wearable electronics. Scientific Reports 8, 1375 (2018).
- Lima, Márcio; Andrade, Mônica; Skákalová, Viera; Bergmann, Carlos; Roth, Siegmar (2007): Dynamic percolation of carbon nanotubes in liquid medium. Journal of Materials Chemistry 17, 2007. 4846-4853.
- Shar, A., Glass, P., Park, S. H., Joung, D. (2023): 3D Printable One-Part Carbon Nanotube-Elastomer Ink for Health Monitoring Applications. Advanced Functional Materials 33, 2023.

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.