Dispergiranje ogljikovih nanocevk v črnilih za 3D-tiskanje

Enakomerna disperzija CNT v črnilih za 3D-tiskanje lahko izboljša lastnosti črnila in omogoči nove uporabe na različnih področjih. Ultrazvočna obdelava s sondo je zelo zanesljiva tehnika dispergiranja za pripravo stabilnih nanosuspenzij CNT v polimerih.

Učinkovito in stabilno dispergiranje CNT v polimerih s sonikacijo

Ogljikove nanocevke (CNT) se zaradi svojih edinstvenih lastnosti pogosto dispergirajo v silicijevih oljih za različne uporabe. Dispergiranje CNT v silicijevih oljih lahko izboljša mehanske, toplotne in električne lastnosti nastalih materialov. Ena takšnih uporab je izdelava polimerov, dopiranih s CNT, za prevodna črnila za 3D-tiskanje, npr. za aditivno proizvodnjo na biološki osnovi, pri kateri se izdelujejo nosljivi taktilni senzorji, ogrodja za regeneracijo tkiv, prilagojena posameznemu bolniku, ter upogljive elektrode za EKG in EEG.
Poleg tega se lahko CNT, dispergirane v silicijevih oljih, uporabljajo kot prevodna črnila v elektronskih napravah, kot so upogljivi zasloni in senzorji. CNT delujejo kot prevodne poti, ki omogočajo pretok električnega toka.

Dispergiranje ogljikovih nanocevk (CNT) v polimerih je značilna uporaba ultrazvočnih sond, kot je UIP1000hdT. Ultrazvočni dispergatorji zagotavljajo enakomerno porazdelitev CNT v topilih in polimerih, na primer pri izdelavi črnil za 3D-tiskanje.

Visokozmogljive ultrazvočne naprave so zanesljivi in zelo učinkoviti sistemi za mešanje v pretočnem načinu za pripravo nanodisperzij, npr. prevodnih nanočrnil za 3D-tiskanje za aditivno proizvodnjo.

Industrijski sistem z ultrazvokom visoke moči za industrijsko dispergiranje v pretočnem načinu: visokozmogljive ultrazvočne naprave so zanesljivi in zelo učinkoviti sistemi za mešanje v pretočnem načinu za pripravo nanodisperzij, kot so CNT v polimerih.

Prednosti ultrazvočnega dispergiranja CNT v polimerih

Ultrazvočna obdelava je zelo učinkovita tehnika dispergiranja, ki prinaša več koristi. Prednosti ultrazvočnega dispergiranja ogljikovih nanocevk (CNT) v polimerih vključujejo:

Izboljšano dispergiranje: Ultrazvočna energija lahko učinkovito razbije aglomerate CNT in spodbuja njihovo enakomerno dispergiranje v polimerih. Tako nastane homogena zmes z izboljšanimi mehanskimi lastnostmi, električno prevodnostjo in toplotno prevodnostjo.

Natančen nadzor: Ultrazvočna energija omogoča boljši nadzor nad postopkom dispergiranja, na primer nad stopnjo dispergiranosti in velikostjo CNT. To lahko pomaga doseči želene lastnosti nastalega nanokompozitnega materiala.

Krajši čas obdelave: Ultrazvočno dispergiranje lahko znatno skrajša čas obdelave v primerjavi z drugimi metodami dispergiranja, kot sta magnetno mešanje ali sonikacija brez segrevanja. To lahko izboljša učinkovitost postopka in možnosti povečanja njegovega obsega.

Vsestranskost: Ultrazvočni dispergatorji lahko obdelujejo vse vrste nanodelcev, vključno z nanokroglicami (npr. nanodelci silicijevega dioksida), nanocevkami (SWNT, MWNT), nanolističi, kot sta grafen ali borphene, funkcionaliziranimi nanomateriali ter nanodelci z jedrom in lupino. Seveda lahko ultrazvočne naprave Hielscher obdelujejo zmesi z visoko vsebnostjo trdnih snovi in so združljive z vsemi topili in tekočinami.

Stroškovna učinkovitost: Ultrazvočni dispergatorji so razmeroma poceni oprema za mešanje v primerjavi z mlini in drugimi tehnikami dispergiranja. Poleg tega so ultrazvočni procesorji zelo robustni, zahtevajo zelo malo vzdrževanja in so zelo energijsko učinkoviti.

Šaržna in pretočna obdelava: Ultrazvočno dispergiranje lahko poteka šaržno ali v načinu neprekinjenega pretoka.

Preprosto upravljanje: Ultrazvočne sonde so preproste in varne za uporabo. Digitalne ultrazvočne naprave Hielscher je mogoče programirati in upravljati na daljavo. Samodejno beleženje podatkov pomaga ohranjati standarde kakovosti.

Linearno povečevanje obsega: Obseg postopkov ultrazvočnega dispergiranja je mogoče povsem linearno povečati na katero koli velikost, zato je sonikacija ne le zelo učinkovita, temveč tudi praktično uporabna metoda izdelave za industrijsko proizvodnjo.

Okolju prijazno: Ultrazvočno dispergiranje je zelena in okolju prijazna metoda, ki omogoča izogibanje uporabi škodljivih topil ali kemikalij oziroma zmanjšanje njihove uporabe, zato je varnejša in trajnostna možnost za industrijske uporabe.

Industrijski ultrazvočni sistem za postopke raztapljanja v pretočnem načinu, npr. enakomerno dispergiranje ogljikovih nanocevk v polimernih formulacijah.

V tem videoposnetku vam predstavljamo ultrazvočni sistem z močjo 2 kilovatov za delovanje v pretočnem procesu, nameščen v omari z možnostjo prepihovanja. Hielscher dobavlja ultrazvočno opremo skoraj vsem industrijskim panogam, med drugim kemični, farmacevtski in kozmetični industriji ter za petrokemične procese in postopke ekstrakcije s topili. Ta omara iz nerjavnega jekla z možnostjo prepihovanja je zasnovana za uporabo v eksplozijsko ogroženih območjih. Uporabnik lahko v ta namen zatesnjeno omaro prepihuje z dušikom ali svežim zrakom, da prepreči vdor vnetljivih plinov ali hlapov vanjo.

Splošni protokol za ultrazvočno pripravo kompozitov CNT/PDMS

Ultrazvočna obdelava se uporablja za dispergiranje številnih materialov nanometrskih velikosti v polimerih. Posebna in pogosto uporabljena možnost je dispergiranje ogljikovih nanocevk (CNT) v dimetilpolisiloksanu (PDMS) s sonikacijo s sondo. Za dispergiranje CNT v matrico PDMS se uporabljajo ultrazvok visoke moči in posledični učinki akustične kavitacije, ki razpletejo nanocevke in jih enakomerno vmešajo v nanosuspenzijo. Sonikacija s sondo je učinkovita metoda dispergiranja CNT zaradi svoje zmožnosti ustvarjanja intenzivnih kavitacijskih sil, ki lahko učinkovito razbijejo in dispergirajo aglomerirane CNT.
Ultrazvočno dispergiranje je preprost korak obdelave, ki ne zahteva posebne predhodne ali naknadne obdelave. Sama ultrazvočna oprema je varna in preprosta za uporabo.
Postopek dispergiranja s sonikacijo s sondo običajno vključuje naslednje korake:

Priprava zmesi CNT-PDMS: V matrico PDMS se doda vnaprej določena količina CNT, nato pa se zmes predhodno premeša z mehanskim mešalom. Zanimivo je, da bi lahko predhodno dispergiranje CNT v topilu povečalo električno prevodnost. Najboljši rezultati se dosežejo s tetrahidrofuranom (THF), acetonom ali kloroformom (razvrščeno od najboljših rezultatov naprej).
Sonikacija s sondo: Zmes se sonikira z visokointenzivno ultrazvočno sondo, ki ustvarja ultrazvočne valove s frekvenco običajno približno 20 kHz. Glede na prostornino in formulacijo sonikacija običajno poteka več minut, da se zagotovi popolno dispergiranje CNT.
Spremljanje dispergiranja: Dispergiranje CNT se spremlja s tehnikami, kot so vrstična elektronska mikroskopija (SEM), presevna elektronska mikroskopija (TEM) ali UV-Vis spektroskopija. Te tehnike se lahko uporabljajo za prikaz porazdelitve CNT v matrici PDMS in za zagotavljanje njihove enakomerne dispergiranosti.

Če povzamemo, je sonikacija s sondo učinkovita metoda dispergiranja CNT v polimerih, kot je PDMS, zaradi svoje zmožnosti ustvarjanja intenzivnih kavitacijskih sil, ki lahko učinkovito razbijejo in dispergirajo aglomerirane CNT.

Ultrazvočni homogenizator za dispergiranje in mešanje

Ultrazvočni homogenizator UIP1000hdT

Študije primerov ultrazvočne izdelave kompozitov CNT/polimer

Dispergiranje nanocevk in drugih nanomaterialov na osnovi ogljika z ultrazvočno obdelavo s sondo je bilo obsežno raziskano in nato uvedeno v industrijsko proizvodnjo. V nadaljevanju predstavljamo nekaj raziskav, ki dokazujejo izjemno učinkovitost ultrazvočnega dispergiranja nanocevk.

Ultrazvočno dispergiranje CNT v PDMS za nosljive senzorje

Del Bosque et al. (2022) so primerjali učinkovitost dispergiranja CNT s trivaljnim mletjem in sonikacijo. Analiza postopka dispergiranja nanodelcev v polimerno matrico kaže, da ultrazvočna tehnika zagotavlja večjo električno občutljivost v primerjavi s trivaljnim mletjem zaradi večje homogenosti porazdelitve CNT, ki jo povzročajo kavitacijske sile. Pri preskušanju različnih vsebnosti CNT je bilo ugotovljeno, da perkolacijski prag sistema CNT-PDMS, torej kritična vsebnost CNT, pri kateri sistem postane električno prevoden, znaša 0,4 wt% CNT. Večstenske ogljikove nanocevke (MWCNT) so bile dispergirane z ultrazvočno obdelavo z ultrazvočno napravo Hielscher UP400ST (glejte sliko levo) pri 0,5 pulznih ciklih in 50 % amplitudi, obdelava pa je trajala 2h. Učinki ultrazvočnega dispergiranja med trajanjem sonikacije so prikazani na spodnji sliki.
Na podlagi te analize so bili kot optimalni pogoji za izdelavo nosljivih senzorjev izbrani vsebnost 0,4 wt.% CNT in postopek ultrazvočne obdelave. Pri tem je analiza električnega odziva pri zaporednih obremenitvenih ciklih pokazala visoko robustnost razvitih senzorjev brez kakršnih koli poškodb pri 2%, 5% in 10% deformaciji, zaradi česar so ti senzorji zanesljivi za spremljanje srednje velikih deformacij.

Ultrazvočno dispergiranje ogljikovih nanocevk je zelo učinkovito za enakomerno porazdelitev nanocevk v polimernih matricah, kot je dimetilpolisiloksan (PDMS)

Ultrazvočno dispergiranje MWCNT v PDMS z ultrazvočno napravo UP400St pri različnih časih sonikacije.
(Študija in slika: ©del Bosque et al., 2022)

Visokozmogljiva oprema za ultrazvočno dispergiranje nanokompozitov CNT/polimer

Hielscher Ultrasonics izdeluje ultrazvočne sonde visoke moči za zahtevne uporabe dispergiranja v laboratoriju, na namiznih napravah in v industriji. Dispergatorji Hielscher Ultrasonics zagotavljajo učinkovito in natančno homogenizacijo ter dispergiranje nanomaterialov v topilih, polimerih in kompozitih.
Ti dispergatorji s svojo napredno ultrazvočno tehnologijo ponujajo hitro in preprosto rešitev za doseganje enakomerne porazdelitve velikosti delcev, stabilnih disperzij in/ali funkcionalizacije nanodelcev.
Ultrazvočni dispergatorji s sondo lahko s krajšanjem časa obdelave in zmanjševanjem porabe energije na najmanjšo možno mero izboljšajo produktivnost in zmanjšajo obratovalne stroške podjetij v različnih industrijskih panogah.
Ultrazvočne naprave Hielscher je mogoče tudi prilagoditi posebnim zahtevam, z možnostjo izbire različnih velikosti sond, ojačevalnikov amplitude, ravni moči in pretočnih celic, zaradi česar so vsestranske in prilagodljive različnim nanoformulacijam in prostorninam.
Na splošno so ultrazvočni dispergatorji s sondo odlična naložba za laboratorije in industrijske obrate, ki želijo optimizirati svoje delovne postopke obdelave nanomaterialov ter dosegati dosledne in zanesljive rezultate.

Načrtovanje, izdelava in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zanesljivo delujejo v težkih razmerah in zahtevnih okoljih.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so ultrazvočne naprave Hielscher skladne z zahtevami CE ter izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Prostornina šarže	Pretok	Priporočene naprave
0,5 do 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
15 do 150L	3 do 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	večji	sklop naprav UIP16000

Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!

Ultrazvočno dispergiranje ogljikovih nanocevk: ultrazvočni procesor Hielscher UP400S (400W) hitro in učinkovito dispergira ter razpleta ogljikove nanocevke (CNT) v posamezne nanocevke.

Ultrazvočni homogenizatorji z visokim strigom se uporabljajo pri laboratorijski, namizni, pilotni in industrijski obdelavi.

Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, dispergiranje, emulgiranje in ekstrakcijo v laboratorijskem, pilotnem in industrijskem merilu.

Sorodne teme

Industrijski mešalni reaktor za nanodisperzije z ultrazvočnimi sondami visoke moči.

Ultrazvočni šaržni reaktor za industrijsko obdelavo, npr. vključevanje CNT in drugih nanopolnil v polimere za črnila za 3D-tiskanje za aditivno proizvodnjo.

Literatura / Viri

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.

Visokozmogljiva ultrazvočna tehnologija! Ponudba izdelkov Hielscher zajema celoten razpon od kompaktne laboratorijske ultrazvočne naprave prek namiznih enot do ultrazvočnih sistemov za povsem industrijsko uporabo.

Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijskih do industrijskih velikosti.