Nanoprevodna lepila za visokozmogljivo elektroniko
Ultrazvočni dispergatorji se uporabljajo kot zanesljiva tehnika mešanja in mletja pri proizvodnji visokozmogljivih lepil za visokozmogljivo elektroniko in nanoelektroniko. Pri proizvodnji visokozmogljive elektronike je veliko povpraševanje po lepilih, kot so nanoprevodna lepila. Takšna visokozmogljiva lepila se uporabljajo npr. kot alternativne medsebojne povezave in lahko nadomestijo kositrno-svinčevo spajko.
Visokozmogljiva lepila za visokozmogljivo elektroniko
Za proizvodnjo visokozmogljive elektronike so potrebna lepila z visoko oprijemljivostjo na kovine in visoko toplotno prevodnostjo za toplotno ločevanje in izolacijo. Nanodelci, kot so srebro, nikelj, grafen, grafenov oksid in ogljikove nanocevke (CNTs), se pogosto vgrajujejo v epoksidne smole in polimere za doseganje želenih funkcionalnih lastnosti, kot so električna prevodnost ali izolativnost, toplotna prevodnost, natezna trdnost, Youngov modul in prožnost. Visokozmogljiva lepila, razvita za visokozmogljivo elektroniko, uporabljajo kovinska polnila (kot so nanodelci srebra, zlata, niklja ali bakra) za zagotavljanje električne prevodnosti. Da bi izkoristili izjemne lastnosti teh materialov, je treba njihovo velikost zmanjšati na nanometrsko raven. Ker sta zmanjševanje velikosti in dispergiranje nanodelcev zahtevni nalogi, je zmogljiva tehnologija mletja in dispergiranja ključna za uspešne formulacije lepil.
- Električno prevodna lepila (ECA)
- – Izotropno prevodna lepila (ICA)
- – Anizotropno prevodna lepila (ACA)
- Neprevodna / električno izolativna lepila
Industrijska postavitev ultrazvočnih dispergatorjev (2x UIP1000hdT) za obdelavo nanodelcev in nanocevk v neprekinjenem pretočnem načinu.
Ultrazvočno dispergiranje ponuja različne prednosti v primerjavi s tradicionalnimi tehnikami mešanja in mletja. Zaradi svoje zanesljivosti in učinkovitosti se je sonikacija uveljavila pri obdelavi nanomaterialov in jo najdemo v vseh industrijskih panogah, kjer se nanodelci sintetizirajo in/ali vgrajujejo v tekočine. Ultrazvočna obdelava je zato idealna tehnika za proizvodnjo nanoprevodnih lepil, ki vsebujejo nanopolnila, kot so nanodelci, nanožice ali ogljikove nanocevke in grafenske monoplasti (nanolisti).
ECAs: Pomemben primer je formuliranje električno prevodnih lepil (ECAs), ki so kompoziti iz polimerne matrice in električno prevodnih polnil. Za formuliranje visokozmogljivega lepila za uporabo v elektroniki mora polimerna smola (npr. epoksidna smola, silikon, poliimid) zagotavljati fizikalne in mehanske funkcionalnosti, kot so oprijem, mehanska trdnost in udarna trdnost, medtem ko kovinsko polnilo (npr. nanosrebro, nanozlato, nanonikelj ali nanobaker) zagotavlja vrhunsko električno prevodnost. Pri lepilih z izolativnimi lastnostmi se v lepilni kompozit vgrajujejo polnila na mineralni osnovi.
Pred sonikacijo in po njej: zelena krivulja prikazuje velikost delcev pred sonikacijo, rdeča krivulja pa porazdelitev velikosti delcev ultrazvočno dispergiranega silicijevega dioksida.
Ultrazvočno dispergiranje nanomaterialov v viskozna lepila
Ultrazvočni homogenizatorji so zelo učinkoviti, kadar je treba zanesljivo zmanjšati velikost aglomeratov, agregatov in celo primarnih delcev. Prednost ultrazvočnih mešalnikov je njihova sposobnost mletja delcev do manjših in bolj enotnih velikosti, ne glede na to, ali je cilj postopka pridobiti mikrodelce ali nanodelce. Medtem ko imajo druge tehnologije, kot so mešalniki z lopaticami ali mešalniki rotor-stator, visokotlačni homogenizatorji, kroglični mlini itd., pomanjkljivosti, kot so nezmožnost pridobivanja enakomerno majhnih nanodelcev, kontaminacija z mlevnimi mediji, zamašene šobe in velika poraba energije, ultrazvočni dispergatorji delujejo na principu akustične kavitacije. Dokazano je, da je kavitacija, ki jo povzroča ultrazvok, zelo učinkovita, energijsko učinkovita in omogoča dispergiranje celo zelo viskoznih materialov, kot so paste z nanodelci.
Nanodelci PLGA. (A): Porazdelitev velikosti delcev, pripravljenih pri koncentraciji polimera/ moči sonikacije 2%/ 32W, 5%/ 32W in 2%/ 25W%; zadrževalni čas = 14 s. (B),(C): SEM-posnetka delcev, pripravljenih iz 2 oziroma 5% polimernih raztopin. Zadrževalni čas = 14s; moč sonikacije = 32W. Merilne črtice predstavljajo 1 mikrometer.
(Študija in slike: © Freitas et al., 2006)
Kako deluje ultrazvočno dispergiranje?
Kavitacijske strižne sile in tokovi tekočine pospešujejo delce, tako da ti trkajo drug ob drugega. To imenujemo meddelčni trki. Delci sami delujejo kot mlevni medij, s čimer se izognemo kontaminaciji z mlevnimi kroglicami in naknadnemu postopku ločevanja, ki je potreben pri uporabi običajnih krogličnih mlinov. Ker se delci drobijo zaradi meddelčnih trkov pri zelo visokih hitrostih do 280m/sec, nanje delujejo izredno velike sile, zaradi katerih razpadejo na drobne delce. Trenje in erozija tem drobcem zagotavljata polirano površino in enotno obliko. Kombinacija strižnih sil in meddelčnih trkov daje ultrazvočni homogenizaciji in dispergiranju prednost, saj omogoča pridobivanje zelo homogenih koloidnih suspenzij in disperzij!
Druga prednost velikih strižnih sil, ki jih ustvarja ultrazvok, je učinek strižnega redčenja. Na primer, ultrazvočno pripravljene epoksidne smole z oksidiranimi CNTs kot polnilom izkazujejo strižno redčenje. Ker strižno redčenje začasno zniža viskoznost tekočine, olajša obdelavo viskoznih kompozitov.
Zaporedje sličic, posnetih z veliko hitrostjo (od a do f), ki prikazuje sonomehansko eksfoliacijo grafitnega lističa v vodi z uporabo naprave UP200S, ultrazvočne naprave z močjo 200W in 3-mm sonotrodo. Puščice prikazujejo mesto razcepa (eksfoliacije), v katerega prodirajo kavitacijski mehurčki.
(Študija in slike:© Tyurnina et al. 2020)
UIP1000hdT – Namizna ultrazvočna postavitev za pripravo nanokompozitov, npr. za visokozmogljiva lepila.
- učinkovita nanoobdelava: učinkovita in prihrani čas
- prilagodljivost specifičnim formulacijam izdelkov
- enakomerna obdelava
- natančno nadzorovani procesni pogoji
- ponovljivi rezultati
- stroškovna učinkovitost
- varno delovanje
- preprosta namestitev, malo vzdrževanja
- linearno povečanje obsega na katero koli prostornino
- okolju prijazno
Primerjava različnih nanopolnil, dispergiranih v trdilcu (ultrazvočna obdelava – US): (a) 0,5 wt% ogljikovih nanovlaken (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% ogljikovih nanocevk (CNT); (d) 0,5 wt% delno dispergiranih CNT.
(Študija in slika: © Zanghellini et al., 2021)
Ultrazvočne naprave velike moči za formuliranje visokozmogljivih lepil
Hielscher Ultrasonics je specialist za visokozmogljivo ultrazvočno opremo za obdelavo tekočin in suspenzij. Ultrazvočni dispergatorji omogočajo obdelavo zelo viskoznih materialov, kot so smole z veliko vsebnostjo polnil, in zagotavljajo enakomerno porazdelitev nanomaterialov v kompozitih.
Natančen nadzor parametrov ultrazvočnega postopka, kot so amplituda, vnos energije, temperatura, tlak in čas, omogoča prilagajanje lepil na nanometrski ravni.
Ne glede na to, ali vaša formulacija zahteva dispergiranje organskih ali anorganskih nanopolnil, kot so nanocevke, celulozni nanokristali (CNCs), nanovlakna ali nanokovine, ima Hielscher Ultrasonics idealno ultrazvočno postavitev za vašo formulacijo lepila.
Industrijski ultrazvočni procesorji podjetja Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude ter deaglomerirajo in dispergirajo nanomateriale tudi pri zelo visokih viskoznostih. Amplitude do 200µm je mogoče zlahka vzdrževati neprekinjeno pri delovanju 24/7.
Ultrazvočne naprave Hielscher so priznane zaradi svoje kakovosti, zanesljivosti in robustnosti. Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO, ki daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in uporabniku prijaznim upravljanjem. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 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 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, dispergiranje, emulgiranje in ekstrakcijo v laboratorijskem, pilotnem in industrijskem merilu.
Literatura / Reference
- Zanghellini, B.; Knaack,P.; Schörpf, S.; Semlitsch, K.-H.; Lichtenegger, H.C.; Praher, B.; Omastova, M.; Rennhofer, H. (2021): Solvent-Free Ultrasonic Dispersion of Nanofillers in Epoxy Matrix. Polymers 2021, 13, 308.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Aradhana, Ruchi; Mohanty, Smita; Nayak, Sanjay (2019): High performance electrically conductive epoxy/reduced graphene oxide adhesives for electronics packaging applications. Journal of Materials Science: Materials in Electronics 30(4), 2019.
- A. Montazeri, M. Chitsazzadeh (2014): Effect of sonication parameters on the mechanical properties of multi-walled carbon nanotube/epoxy composites. Materials & Design Vol. 56, 2014. 500-508.
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijskih do industrijskih velikosti.