Дисперговање угљеничних наноцеви у мастилима за 3D штампу

Равномерно дисперговање CNT у мастилима за 3D штампу може побољшати својства мастила и омогућити нове примене у различитим областима. Ултразвучна обрада помоћу сонде је веома поуздана техника дисперговања за добијање стабилних наносуспензија CNT у полимерима.

Ефикасно и стабилно дисперговање CNT у полимерима помоћу соникације

Угљеничне наноцеви (CNT) се због својих јединствених својстава често диспергују у силиконским уљима за различите примене. Дисперговање CNT у силиконским уљима може побољшати механичка, топлотна и електрична својства добијених материјала. Једна таква примена је израда полимера допираних CNT за проводљива мастила за 3D штампу, нпр. за адитивну производњу на биолошкој основи носивих тактилних сензора, носача за регенерацију ткива прилагођених појединачним пацијентима и флексибилних ЕКГ и ЕЕГ електрода.
Поред тога, CNT дисперговане у силиконским уљима могу се користити као проводљива мастила у електронским уређајима, као што су флексибилни екрани и сензори. CNT делују као проводљиве путање и омогућавају проток електричне струје.

Предности ултразвучног дисперговања CNT у полимерима

Ултразвучна обрада је веома ефикасна техника дисперговања која доноси више предности. Предности ултразвучног дисперговања угљеничних наноцеви (CNT) у полимерима обухватају:

Општи протокол за ултразвучну производњу CNT/PDMS композита

Ултразвучна обрада се користи за дисперговање бројних материјала нанометарских димензија у полимерима. Једна специфична и често коришћена примена је дисперговање угљеничних наноцеви (CNT) у диметилполисилоксану (PDMS) помоћу ултразвучне сонде. За дисперговање CNT у PDMS матрици користе се ултразвук велике снаге и настали ефекти акустичне кавитације како би се наноцеви размрсиле и равномерно умешале у наносуспензију. Ултразвучна обрада сондом је моћна метода за дисперговање CNT захваљујући способности да генерише интензивне кавитационе силе које могу ефикасно да разбију агломерате CNT и диспергују наноцеви.
Ултразвучно дисперговање је једноставан корак обраде који не захтева посебну претходну или накнадну обраду. Сама ултразвучна опрема је безбедна и једноставна за руковање.
Процес дисперговања помоћу ултразвучне сонде обично обухвата следеће кораке:

1. Припрема смеше CNT-PDMS: Унапред одређена количина CNT додаје се у PDMS матрицу и претходно меша механичком мешалицом. Занимљиво је да би се претходним дисперговањем CNT у растварачу могла повећати електрична проводљивост. Најбољи резултати постижу се тетрахидрофураном (THF), ацетоном или хлороформом (наведени редом од најбољих резултата).
2. Ултразвучна обрада сондом: Смеша се подвргава ултразвучној обради помоћу сонде високог интензитета која генерише ултразвучне таласе чија је фреквенција обично приближно 20 kHz. У зависности од запремине и формулације, ултразвучна обрада се обично спроводи неколико минута како би се обезбедило потпуно дисперговање CNT.
3. Праћење дисперговања: Дисперговање CNT прати се техникама као што су скенирајућа електронска микроскопија (SEM), трансмисиона електронска микроскопија (TEM) или UV-Vis спектроскопија. Ове технике могу се користити за визуелизацију расподеле CNT унутар PDMS матрице и за проверу да ли су CNT равномерно дисперговане.

Укратко, ултразвучна обрада сондом је моћна метода за дисперговање CNT у полимерима као што је PDMS захваљујући способности да генерише интензивне кавитационе силе које могу ефикасно да разбију агломерате CNT и диспергују наноцеви.

Студије случаја ултразвучне производње композита CNT/полимер

Дисперговање наноцеви и других наноматеријала на бази угљеника помоћу ултразвучне сонде опсежно је истраживано, а затим и примењено у индустријској производњи. У наставку представљамо неколико истраживачких студија које показују изузетну ефикасност ултразвучног дисперговања наноцеви.

Ултразвучно дисперговање CNT у PDMS за носиве сензоре

Del Bosque и сарадници (2022) упоредили су млевење на троваљном млину и ултразвучну обраду у погледу ефикасности дисперговања CNT. Анализа поступка дисперговања наночестица у полимерној матрици показује да ултразвучна техника обезбеђује већу електричну осетљивост у поређењу са млевењем на троваљном млину, услед веће хомогености расподеле CNT изазване кавитационим силама. Испитивањем различитих удела CNT утврђено је да праг перколације система CNT-PDMS, односно критични садржај CNT при којем систем постаје електрично проводљив, износи 0,4 wt% CNT. Вишезидне угљеничне наноцеви (MWCNT) дисперговане су ултразвучном обрадом помоћу Hielscher ултразвучног уређаја UP400ST (видети слику лево), при импулсним циклусима од 0,5 и амплитуди од 50 %, током 2h. Ефекти ултразвучног дисперговања током времена ултразвучне обраде приказани су на слици испод.
На основу ове анализе, као оптимални услови за производњу носивих сензора одабрани су удео од 0,4 wt.% CNT и примена поступка ултразвучне обраде. У том погледу, анализа електричног одзива при узастопним циклусима оптерећења показала је високу робусност развијених сензора, без икаквих оштећења при деформацијама од 2%, 5% и 10%, што ове сензоре чини поузданим за праћење умерених деформација.

Ултразвучно дисперговање MWCNT у PDMS помоћу ултразвучног уређаја UP400St при различитим временима ултразвучне обраде.
(Студија и слика: ©del Bosque et al., 2022)

Ултразвучна опрема високих перформанси за дисперговање нанокомпозита CNT/полимер

Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне сонде велике снаге за захтевне примене дисперговања у лабораторији, на лабораторијском столу и у индустрији. Диспергатори компаније Hielscher Ultrasonics обезбеђују ефикасну и прецизну хомогенизацију и дисперговање наноматеријала у растварачима, полимерима и композитима.
Захваљујући напредној ултразвучној технологији, ови диспергатори нуде брзо и једноставно решење за постизање уједначене расподеле величине честица, стабилних дисперзија и/или функционализације наночестица.
Скраћивањем времена обраде и свођењем потрошње енергије на минимум, ултразвучни диспергатори са сондом могу побољшати продуктивност и смањити оперативне трошкове предузећа у различитим индустријским гранама.
Hielscher ултразвучни уређаји могу се прилагодити и специфичним захтевима, уз избор различитих величина сонди, појачивача амплитуде, нивоа снаге и проточних ћелија, што их чини свестраним и прилагодљивим различитим наноформулацијама и запреминама.
Све у свему, ултразвучни диспергатори са сондом представљају одличну инвестицију за лабораторије и индустријска предузећа која желе да оптимизују своје радне токове обраде наноматеријала и постигну доследне, поуздане резултате.

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Hielscher ултразвучни уређаји познати су по највишим стандардима квалитета и пројектовања. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Hielscher ултразвучни уређаји поуздано раде у тешким условима и захтевним окружењима.

Hielscher Ultrasonics је компанија сертификована према ISO стандардима и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси са најсавременијом технологијом и једноставним руковањем. Наравно, Hielscher ултразвучни уређаји усаглашени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: