Nanovodivé lepidlá pre vysokovýkonnú elektroniku

Ultrazvukové dispergátory sa používajú ako spoľahlivá technológia miešania a mletia pri výrobe vysokovýkonných lepidiel pre vysokovýkonnú elektroniku a nanoelektroniku. Pri výrobe vysokovýkonnej elektroniky je veľký dopyt po lepidlách, ako sú nanovodivé lepidlá. Takéto vysokovýkonné lepidlá sa používajú napr. ako alternatívne elektrické prepojenia a môžu nahradiť cínovo-olovenú spájku.

Vysokovýkonné lepidlá pre vysokovýkonnú elektroniku

Na výrobu vysokovýkonnej elektroniky sú potrebné lepidlá s vysokou priľnavosťou ku kovom a tepelnou vodivosťou na tepelné oddelenie a izoláciu. Nanočastice, ako sú striebro, nikel, grafén, oxid grafénu a uhlíkové nanorúrky (CNTs), sa často zapracúvajú do epoxidových živíc a polymérov s cieľom dosiahnuť požadované funkčné vlastnosti, ako sú elektrická vodivosť alebo izolácia, tepelná vodivosť, pevnosť v ťahu, Youngov modul pružnosti a ohybnosť. Vysokovýkonné lepidlá vyvinuté pre vysokovýkonnú elektroniku využívajú kovové plnivá (napríklad nanočastice striebra, zlata, niklu alebo medi) na zabezpečenie elektrickej vodivosti. Na využitie mimoriadnych vlastností týchto materiálov je potrebné zmenšiť ich veľkosť na nanometrovú úroveň. Keďže zmenšovanie a dispergovanie nanočastíc je náročná úloha, výkonná technológia mletia a dispergovania je kľúčom k úspešnému vývoju zloženia lepidiel.

Ultrazvukové dispergovanie ponúka v porovnaní s tradičnými technikami miešania a mletia rôzne výhody. Vďaka svojej spoľahlivosti a účinnosti sa sonikácia etablovala pri spracovaní nanomateriálov a možno ju nájsť v každom priemyselnom odvetví, v ktorom sa nanočastice syntetizujú a/alebo zapracúvajú do kvapalín. Ultrazvukové spracovanie je preto ideálnou technikou na výrobu nanovodivých lepidiel, ktoré obsahujú nanoplnivá, ako sú nanočastice, nanodrôty alebo uhlíkové nanorúrky a monovrstvy grafénu (nanolístky).
ECA: Významným príkladom je príprava elektricky vodivých lepidiel (ECA), ktoré sú kompozitmi zloženými z polymérnej matrice a elektricky vodivých plnív. Pri príprave vysokovýkonného lepidla pre elektronické aplikácie musí polymérna živica (napr. epoxidová, silikónová, polyimidová) zabezpečovať fyzikálne a mechanické vlastnosti, ako sú priľnavosť, mechanická pevnosť a rázová húževnatosť, zatiaľ čo kovové plnivo (napr. nanostriebro, nanozlato, nanonikel alebo nanomeď) vytvára vynikajúcu elektrickú vodivosť. Pri lepidlách s izolačnými vlastnosťami sa do lepiaceho kompozitu zapracúvajú plnivá na minerálnej báze.

Pred sonikáciou a po nej: Zelená krivka znázorňuje veľkosť častíc pred sonikáciou, červená krivka predstavuje distribúciu veľkosti častíc ultrazvukom dispergovaného oxidu kremičitého.

Ultrazvukové dispergovanie nanomateriálov do viskóznych lepidiel

Ultrazvukové homogenizátory sú veľmi účinné, keď je potrebné spoľahlivo zmenšiť aglomeráty častíc, agregáty a dokonca aj primárne častice. Výhodou ultrazvukových miešačov je ich schopnosť rozomlieť častice na menšie častice s rovnomernejšou veľkosťou bez ohľadu na to, či sú cieľovým výsledkom procesu mikročastice alebo nanočastice. Zatiaľ čo iné technológie, ako sú lopatkové alebo rotorovo-statorové miešače, vysokotlakové homogenizátory, guľôčkové mlyny atď., vykazujú nevýhody, ako sú neschopnosť vytvárať rovnomerne malé nanočastice, kontaminácia mlecími médiami, upchaté dýzy a vysoká spotreba energie, ultrazvukové dispergátory využívajú princíp akustickej kavitácie. Preukázalo sa, že kavitácia vyvolaná ultrazvukom je vysoko účinná, energeticky efektívna a schopná dispergovať aj vysoko viskózne materiály, ako sú pasty s obsahom nanočastíc.

Ako funguje ultrazvukové dispergovanie?

Kavitačné šmykové sily a prúdy kvapaliny urýchľujú častice tak, že sa navzájom zrážajú. Tento jav sa nazýva medzičasticová kolízia. Samotné častice pôsobia ako mlecie médium, čím sa predchádza kontaminácii mlecími guľôčkami a následnému procesu separácie, ktorý je nevyhnutný pri použití bežných guľôčkových mlynov. Keďže sa častice rozbíjajú pri medzičasticových kolíziách pri veľmi vysokých rýchlostiach až do 280m/sec, pôsobia na ne mimoriadne veľké sily, a preto sa rozpadajú na drobné fragmenty. Trenie a erózia dodávajú týmto fragmentom častíc vyhladený povrch a rovnomerný tvar. Kombinácia šmykových síl a medzičasticových kolízií poskytuje ultrazvukovej homogenizácii a dispergovaniu výhodu v podobe vysoko homogénnych koloidných suspenzií a disperzií!
Ďalším prínosom veľkých šmykových síl vytváraných ultrazvukom je účinok šmykového rednutia. Napríklad ultrazvukom pripravené epoxidové živice plnené oxidovanými CNT vykazujú šmykové rednutie. Keďže šmykové rednutie dočasne znižuje viskozitu kvapaliny, uľahčuje spracovanie viskóznych kompozitov.

Vysokorýchlostná sekvencia snímok (od a po f) znázorňujúca sonomechanickú exfoliáciu grafitovej vločky vo vode pomocou UP200S, ultrazvukového prístroja s výkonom 200W a 3-mm sonotródou. Šípky označujú miesto štiepenia (exfoliácie), do ktorého prenikajú kavitačné bubliny.
(Štúdia a obrázky:© Tyurnina et al. 2020)

Porovnanie rôznych nanoplnív dispergovaných v tvrdidle (ultrazvukové spracovanie – US): (a) 0,5 wt% uhlíkových nanovlákien (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% uhlíkových nanorúrok (CNT); (d) 0,5 wt% čiastočne dispergovaných CNT.
(Štúdia a obrázok: © Zanghellini et al., 2021)

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na prípravu vysokovýkonných lepidiel

Hielscher Ultrasonics je špecialistom na vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia na spracovanie kvapalín a suspenzií. Ultrazvukové dispergátory umožňujú spracúvať vysoko viskózne materiály, ako sú živice s vysokým obsahom plnív, a zabezpečujú rovnomerné rozloženie nanomateriálov v kompozitoch.
Presná regulácia parametrov ultrazvukového procesu, ako sú amplitúda, prívod energie, teplota, tlak a čas, umožňuje prispôsobovať lepidlá na nanometrovej úrovni.
Či už zloženie vášho lepidla vyžaduje dispergovanie organických alebo anorganických nanoplnív, ako sú nanorúrky, nanokryštály celulózy (CNCs), nanovlákna alebo nanokovy, Hielscher Ultrasonics má ideálnu ultrazvukovú zostavu na prípravu vášho lepidla.
Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy a sú schopné deaglomerovať a dispergovať nanomateriály aj pri veľmi vysokých viskozitách. Amplitúdy až do 200µm možno ľahko udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7.
Ultrazvukové prístroje Hielscher sú uznávané pre svoju kvalitu, spoľahlivosť a robustnosť. Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a jednoduchou obsluhou. Ultrazvukové prístroje Hielscher samozrejme spĺňajú požiadavky CE aj požiadavky UL, CSA a RoHs.
Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov: