Dispergovanie uhlíkových nanorúrok v atramentoch pre 3D tlač

Rovnomerné rozptýlenie CNT v atramentoch pre 3D tlač môže zlepšiť vlastnosti atramentu a umožniť nové aplikácie v rôznych oblastiach. Ultrazvukové spracovanie pomocou sondy je vysoko spoľahlivá dispergačná technika na výrobu stabilných nanosuspenzií CNT v polyméroch.

Účinné a stabilné rozptýlenie CNT v polyméroch vďaka sonikácii

Uhlíkové nanorúrky (CNT) sa vďaka svojim jedinečným vlastnostiam často dispergujú v kremíkových olejoch na rôzne aplikácie. Rozptýlenie CNT v kremíkových olejoch môže zlepšiť mechanické, tepelné a elektrické vlastnosti výsledných materiálov. Jednou z takýchto aplikácií je výroba polymérov dopovaných CNT pre vodivé atramenty pre 3D tlač, napr. na aditívnu výrobu nositeľných hmatových snímačov, podporných štruktúr na regeneráciu tkanív prispôsobených konkrétnemu pacientovi a flexibilných elektród EKG a EEG na biologickej báze.
Okrem toho sa CNT rozptýlené v kremíkových olejoch môžu používať ako vodivé atramenty v elektronických zariadeniach, ako sú flexibilné displeje a snímače. CNT vytvárajú vodivé dráhy, ktoré umožňujú tok elektrického prúdu.

Dispergovanie uhlíkových nanorúrok (CNTs) v polyméroch je typickým využitím ultrazvukových sond, ako je UIP1000hdT. Ultrazvukové dispergátory zabezpečujú rovnomerné rozloženie CNTs v rozpúšťadlách a polyméroch, napríklad pri výrobe atramentov na 3D tlač.

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje sú spoľahlivé a vysoko účinné systémy na miešanie v prietokovom režime na výrobu nanodisperzií, napr. vodivých nanoatramentov vhodných na 3D tlač pre aditívnu výrobu.

Priemyselný systém výkonového ultrazvuku na priemyselné dispergovanie v prietokovom režime: vysokovýkonné ultrazvukové prístroje sú spoľahlivé a vysoko účinné prietokové miešacie systémy na výrobu nanodisperzií, ako sú CNT v polyméroch.

Výhody ultrazvukového dispergovania CNT v polyméroch

Ultrazvukové spracovanie je veľmi účinná dispergačná technika, ktorá prináša viacero výhod. Medzi výhody ultrazvukového dispergovania uhlíkových nanorúrok (CNT) v polyméroch patria:

Lepšie rozptýlenie: Ultrazvuková energia dokáže účinne rozrušiť aglomeráty CNT a podporiť ich rovnomerné rozptýlenie v polyméroch. Výsledkom je homogénna zmes so zlepšenými mechanickými vlastnosťami, elektrickou vodivosťou a tepelnou vodivosťou.

Presné riadenie: Ultrazvuková energia umožňuje lepšiu kontrolu nad procesom dispergovania, napríklad nad stupňom rozptýlenia a veľkosťou CNT. To môže pomôcť dosiahnuť požadované vlastnosti výsledného nanokompozitného materiálu.

Kratší čas spracovania: Ultrazvukové dispergovanie môže výrazne skrátiť čas spracovania v porovnaní s inými dispergačnými metódami, ako je magnetické miešanie alebo sonikácia bez ohrevu. To môže zlepšiť účinnosť procesu a možnosti jeho škálovania.

Všestrannosť: Ultrazvukové dispergátory dokážu spracovať akýkoľvek druh nanočastíc vrátane nanoguľôčok (napr. nanočastíc oxidu kremičitého), nanorúrok (SWNT, MWNT), nanovrstiev, ako sú grafén alebo borofén, funkcionalizovaných nanomateriálov, ako aj nanočastíc so štruktúrou jadro–obal. Ultrazvukové prístroje Hielscher samozrejme zvládajú vysoký obsah tuhých látok a sú kompatibilné s akýmikoľvek rozpúšťadlami a kvapalinami.

Nákladová efektívnosť: Ultrazvukové dispergátory sú v porovnaní s mlynmi a inými dispergačnými technikami relatívne lacné miešacie zariadenia. Ultrazvukové procesory sú navyše veľmi robustné, vyžadujú si len minimálnu údržbu a sú veľmi energeticky účinné.

Vsádzkové a prietokové spracovanie: Ultrazvukové dispergovanie môže prebiehať vo vsádzkovom režime alebo v režime kontinuálneho prietoku.

Jednoduchá obsluha: Obsluha ultrazvukových sond je jednoduchá a bezpečná. Digitálne ultrazvukové prístroje Hielscher sú programovateľné a možno ich ovládať na diaľku. Automatické zaznamenávanie údajov pomáha udržiavať štandardy kvality.

Lineárna škálovateľnosť: Procesy ultrazvukového dispergovania možno úplne lineárne škálovať na akúkoľvek veľkosť, vďaka čomu je sonikácia nielen vysoko účinnou, ale aj prakticky použiteľnou výrobnou metódou pre priemyselnú výrobu.

Šetrnosť k životnému prostrediu: Ultrazvukové dispergovanie je ekologická metóda šetrná k životnému prostrediu, ktorá umožňuje vyhnúť sa používaniu škodlivých rozpúšťadiel alebo chemikálií alebo ich používanie obmedziť, vďaka čomu predstavuje bezpečnejšiu a udržateľnú možnosť pre priemyselné aplikácie.

Priemyselný ultrazvukový systém na procesy rozpúšťania v prietokovom režime, napr. na rovnomerné rozptýlenie uhlíkových nanorúrok v polymérnych formuláciách.

V tomto videu vám predstavujeme ultrazvukový systém s výkonom 2 kilowatty na priebežnú prevádzku v preplachovateľnej skrini. Spoločnosť Hielscher dodáva ultrazvukové zariadenia takmer do všetkých priemyselných odvetví, napríklad do chemického, farmaceutického a kozmetického priemyslu, na petrochemické procesy, ako aj na extrakčné procesy s použitím rozpúšťadiel. Táto preplachovateľná skriňa z nehrdzavejúcej ocele je navrhnutá na prevádzku v priestoroch s nebezpečenstvom výbuchu. Na tento účel môže zákazník utesnenú skriňu preplachovať dusíkom alebo čerstvým vzduchom, aby zabránil vnikaniu horľavých plynov alebo pár do skrine.

Všeobecný postup ultrazvukovej výroby kompozitov CNT/PDMS

Ultrazvuk sa používa na dispergovanie mnohých materiálov s nanometrovými rozmermi v polyméroch. Konkrétnou a bežne používanou aplikáciou je dispergovanie uhlíkových nanorúrok (CNT) v dimetylpolysiloxáne (PDMS) pomocou sondovej sonikácie. Na dispergovanie CNT v matrici PDMS sa využíva výkonový ultrazvuk a ním vyvolané účinky akustickej kavitácie, ktoré rozpletajú nanorúrky a rovnomerne ich premiešavajú do nanosuspenzie. Sondová sonikácia je účinná metóda dispergovania CNT vďaka svojej schopnosti vytvárať intenzívne kavitačné sily, ktoré dokážu účinne rozrušiť a dispergovať aglomerované CNT.
Ultrazvukové dispergovanie je jednoduchý krok spracovania, ktorý nevyžaduje žiadnu špecifickú predbežnú ani následnú úpravu. Samotné ultrazvukové zariadenie je bezpečné a jednoducho sa obsluhuje.
Proces dispergovania pomocou sondovej sonikácie zvyčajne zahŕňa nasledujúce kroky:

Príprava zmesi CNT-PDMS: Do matrice PDMS sa pridá vopred stanovené množstvo CNT a zmes sa predbežne premieša mechanickým miešadlom. Zaujímavé je, že predbežným dispergovaním CNT v rozpúšťadle by sa mohla zvýšiť elektrická vodivosť. Najlepšie výsledky sa dosahujú použitím tetrahydrofuránu (THF), acetónu alebo chloroformu (zoradené od najlepších výsledkov).
Sondová sonikácia: Zmes sa podrobí sondovej sonikácii pomocou ultrazvukovej sondy s vysokou intenzitou, ktorá vytvára ultrazvukové vlny s frekvenciou zvyčajne približne 20 kHz. V závislosti od objemu a zloženia sa sonikácia zvyčajne vykonáva niekoľko minút, aby sa zabezpečilo úplné dispergovanie CNT.
Monitorovanie disperzie: Disperzia CNT sa monitoruje pomocou techník, ako sú skenovacia elektrónová mikroskopia (SEM), transmisná elektrónová mikroskopia (TEM) alebo UV-Vis spektroskopia. Tieto techniky možno použiť na vizualizáciu rozloženia CNT v matrici PDMS a na overenie, že CNT sú rovnomerne dispergované.

V súhrne je sondová sonikácia účinnou metódou dispergovania CNT v polyméroch, ako je PDMS, vďaka svojej schopnosti vytvárať intenzívne kavitačné sily, ktoré dokážu účinne rozrušiť a dispergovať aglomerované CNT.

Ultrazvukový homogenizátor na dispergačné a miešacie aplikácie

Ultrazvukový homogenizátor UIP1000hdT

Prípadové štúdie ultrazvukovej výroby kompozitov CNT/polymér

Dispergovanie nanorúrok a ďalších nanomateriálov na báze uhlíka pomocou sondového ultrazvuku bolo predmetom rozsiahleho výskumu a následne bolo zavedené do priemyselnej výroby. Nižšie uvádzame niekoľko výskumných štúdií, ktoré preukazujú výnimočnú účinnosť ultrazvukového dispergovania nanorúrok.

Ultrazvukové dispergovanie CNT v PDMS pre nositeľné senzory

Del Bosque a kol. (2022) porovnali účinnosť mletia na trojvalcovom mlyne a sonikácie pri dispergovaní CNT. Analýza postupu dispergovania nanočastíc v polymérnej matrici ukazuje, že ultrazvuková technika poskytuje vyššiu elektrickú citlivosť v porovnaní s mletím na trojvalcovom mlyne vďaka vyššej homogenite rozloženia CNT vyvolanej kavitačnými silami. Pri testovaní rôznych obsahov CNT sa zistilo, že perkolačný prah systému CNT-PDMS, teda kritický obsah CNT, pri ktorom sa systém stáva elektricky vodivým, je 0,4 hmotn. % CNT. Viacstenné uhlíkové nanorúrky (MWCNT) sa dispergovali ultrazvukom pomocou ultrazvukového prístroja Hielscher UP400ST (pozri obrázok vľavo) pri nastavení pulzného cyklu na 0,5 a amplitúdy na 50 % počas 2h. Účinky ultrazvukového dispergovania v priebehu sonikácie sú znázornené na obrázku nižšie.
Na základe tejto analýzy sa ako optimálne podmienky výroby nositeľných senzorov zvolil obsah 0,4 hmotn. % CNT pri použití ultrazvukového procesu. Analýza elektrickej odozvy pri po sebe nasledujúcich cykloch zaťažovania pritom preukázala vysokú odolnosť vyvinutých senzorov bez akéhokoľvek poškodenia pri deformácii 2%, 5% a 10%, vďaka čomu sú tieto senzory spoľahlivé pri monitorovaní stredne veľkých deformácií.

Ultrazvukové dispergovanie uhlíkových nanorúrok je vysoko účinné pri rovnomernom rozptýlení nanorúrok v polymérnych matriciach, ako je dimetylpolysiloxán (PDMS)

Ultrazvukové dispergovanie MWCNT v PDMS pomocou ultrazvukového prístroja UP400St pri rôznych časoch sonikácie.
(Štúdia a obrázok: ©del Bosque a kol., 2022)

Vysokovýkonné ultrazvukové dispergačné zariadenia pre nanokompozity CNT/polymér

Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové sondy pre náročné dispergačné aplikácie v laboratóriu, v stolových zostavách a v priemysle. Dispergátory Hielscher Ultrasonics zabezpečujú účinnú a presnú homogenizáciu a dispergovanie nanomateriálov v rozpúšťadlách, polyméroch a kompozitoch.
Vďaka svojej pokročilej ultrazvukovej technológii ponúkajú tieto dispergátory rýchle a jednoduché riešenie na dosiahnutie rovnomerného rozdelenia veľkosti častíc, stabilných disperzií a/alebo funkcionalizácie nanočastíc.
Skrátením času spracovania a minimalizáciou spotreby energie môžu ultrazvukové sondové dispergátory zvýšiť produktivitu a znížiť prevádzkové náklady podnikov v rôznych priemyselných odvetviach.
Ultrazvukové prístroje Hielscher možno tiež prispôsobiť špecifickým požiadavkám výberom z rôznych veľkostí sond, zosilňovacích nadstavcov, výkonových úrovní a prietokových ciel, vďaka čomu sú univerzálne a prispôsobiteľné rôznym nanoformuláciám a objemom.
Celkovo sú ultrazvukové sondové dispergátory vynikajúcou investíciou pre laboratóriá a priemyselné podniky, ktoré chcú optimalizovať svoje pracovné postupy spracovania nanomateriálov a dosahovať konzistentné a spoľahlivé výsledky.

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a najvyššími konštrukčnými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové prístroje Hielscher spoľahlivo zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a jednoduchým používaním. Samozrejme, ultrazvukové prístroje Hielscher spĺňajú požiadavky CE aj požiadavky UL, CSA a RoHs.

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

Objem dávky	Prietok	Odporúčané zariadenia
0,5 až 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 až 500mL	10 až 200mL/min	UP100H
10 až 2000mL	20 až 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 až 20L	0,2 až 4L/min	UIP2000hdT
10 až 100L	2 až 10L/min	UIP4000hdT
15 až 150L	3 až 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 až 100L/min	UIP16000
n.a.	vyšší	zoskupenie zariadení UIP16000

Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!

Ultrazvukové dispergovanie uhlíkových nanorúrok: Ultrazvukový procesor Hielscher UP400S (400W) rýchlo a účinne disperguje a rozpletá CNT na jednotlivé nanorúrky.

Ultrazvukové homogenizátory s vysokým šmykom sa používajú pri laboratórnom, stolovom, poloprevádzkovom a priemyselnom spracovaní.

Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, dispergovanie, emulgovanie a extrakciu v laboratórnom, poloprevádzkovom a priemyselnom meradle.

Súvisiace témy

Priemyselný miešací reaktor na nanodisperzie využívajúci vysokovýkonné ultrazvukové sondy.

Ultrazvukový dávkový reaktor na priemyselné spracovanie, napr. na zapracovanie CNT a ďalších nanoplnív do polymérov na prípravu atramentov vhodných na 3D tlač pre aditívnu výrobu.

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.

Vysokovýkonná ultrazvuková technológia! Sortiment produktov Hielscher pokrýva celé spektrum od kompaktného laboratórneho ultrazvukového prístroja cez stolové jednotky až po plne priemyselné ultrazvukové systémy.

Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory vo veľkostiach od laboratórnych až po priemyselné.