Dispergering av kolnanorör i bläck för 3D-utskrift

En jämn dispergering av CNT i bläck för 3D-utskrift kan förbättra bläckets egenskaper och möjliggöra nya tillämpningar inom olika områden. Ultraljudsbehandling med sond är en mycket tillförlitlig dispergeringsteknik för att framställa stabila nanosuspensioner av CNT i polymerer.

Effektiv och stabil dispergering av CNT i polymerer genom ultraljudsbehandling

Kolnanorör (CNT) dispergeras ofta i silikonoljor för olika tillämpningar tack vare sina unika egenskaper. Dispergering av CNT i silikonoljor kan förbättra de resulterande materialens mekaniska, termiska och elektriska egenskaper. En sådan tillämpning är framställning av CNT-dopade polymerer för ledande bläck för 3D-utskrift, t.ex. för biobaserad additiv tillverkning av kroppsburna taktila sensorer, patientspecifika stödstrukturer för vävnadsregenerering samt flexibla EKG- och EEG-elektroder.
Dessutom kan CNT dispergerade i silikonoljor användas som ledande bläck i elektroniska enheter, såsom flexibla bildskärmar och sensorer. CNT fungerar som ledande banor som låter elektrisk ström passera.

Fördelar med ultraljudsdispergering av CNT i polymerer

Ultraljudsbehandling är en mycket effektiv dispergeringsteknik med flera fördelar. Fördelarna med ultraljudsdispergering av kolnanorör (CNT) i polymerer omfattar:

Allmänt protokoll för framställning av CNT/PDMS-kompositer med ultraljud

Ultraljudsbehandling används för att dispergera många olika material i nanostorlek i polymerer. En specifik och vanligt förekommande tillämpning är dispergering av kolnanorör (CNT) i dimetylpolysiloxan (PDMS) med hjälp av ultraljudsbehandling med sond. För att dispergera CNT i PDMS-matrisen används högeffektsultraljud och de resulterande effekterna av akustisk kavitation för att separera sammanflätade nanorör och blanda dem jämnt till en nanosuspension. Ultraljudsbehandling med sond är en kraftfull metod för att dispergera CNT tack vare dess förmåga att generera intensiva kavitationskrafter som effektivt kan bryta upp och dispergera agglomererade CNT.
Ultraljudsdispergering är ett enkelt processteg som inte kräver någon särskild för- eller efterbehandling. Själva ultraljudsutrustningen är säker och enkel att använda.
Dispergeringsprocessen med ultraljudssond omfattar vanligtvis följande steg:

1. Beredning av CNT-PDMS-blandningen: En förutbestämd mängd CNT tillsätts till PDMS-matrisen och förblandas med en mekanisk omrörare. Intressant nog kunde den elektriska ledningsförmågan ökas genom att först dispergera CNT i ett lösningsmedel. Bäst resultat uppnås med tetrahydrofuran (THF), aceton eller kloroform (ordnade efter bästa resultat).
2. Ultraljudsbehandling med sond: Blandningen ultraljudsbehandlas med en högintensiv ultraljudssond som genererar ultraljudsvågor med en frekvens på vanligtvis cirka 20 kHz. Beroende på volym och formulering utförs ultraljudsbehandlingen vanligtvis i flera minuter för att säkerställa fullständig dispergering av CNT.
3. Övervakning av dispergeringen: Dispergeringen av CNT övervakas med tekniker som svepelektronmikroskopi (SEM), transmissionselektronmikroskopi (TEM) eller UV-Vis-spektroskopi. Dessa tekniker kan användas för att visualisera fördelningen av CNT i PDMS-matrisen och för att säkerställa att CNT är jämnt dispergerade.

Sammanfattningsvis är ultraljudsbehandling med sond en kraftfull metod för att dispergera CNT i polymerer som PDMS tack vare dess förmåga att generera intensiva kavitationskrafter som effektivt kan bryta upp och dispergera agglomererade CNT.

Fallstudier av tillverkning av CNT/polymerkompositer med ultraljud

Dispergering av nanorör och andra kolbaserade nanomaterial med hjälp av ultraljudsbehandling med sond har undersökts ingående och har därefter införts i industriell produktion. Nedan presenterar vi några forskningsstudier som visar den exceptionella effektiviteten hos dispergering av nanorör med ultraljud.

Ultraljudsdispergering av CNT i PDMS för kroppsburna sensorer

Del Bosque et al. (2022) jämförde trevalsning och ultraljudsbehandling med avseende på hur effektivt de dispergerar CNT. Analysen av förfarandet för dispergering av nanopartiklar i polymermatrisen visar att ultraljudstekniken ger högre elektrisk känslighet jämfört med trevalsning tack vare den mer homogena CNT-fördelning som kavitationskrafterna åstadkommer. Vid testning av olika CNT-halter konstaterades att perkolationströskeln för CNT-PDMS-systemet, det vill säga den kritiska CNT-halt vid vilken det blir elektriskt ledande, var 0,4 wt% CNT. Flerväggiga kolnanorör (MWCNT) dispergerades genom ultraljudsbehandling med Hielschers ultraljudsapparat UP400ST (se bilden till vänster) vid 0,5 pulscykler och 50 % amplitud i 2h. Effekterna av ultraljudsdispergeringen under behandlingstidens gång visas i bilden nedan.
Utifrån denna analys valdes 0,4 wt.% CNT med användning av en ultraljudsprocess som optimala förhållanden för tillverkningen av de kroppsburna sensorerna. En analys av den elektriska responsen under på varandra följande belastningscykler visade i detta sammanhang att de utvecklade sensorerna var mycket robusta, utan några skador vid 2%, 5% och 10% töjning, vilket gör dessa sensorer tillförlitliga för övervakning av måttlig töjning.

Ultraljudsdispergering av MWCNT i PDMS med ultraljudsapparaten UP400St vid olika ultraljudsbehandlingstider.
(Studie och bild: ©del Bosque et al., 2022)

Högpresterande utrustning för ultraljudsdispergering av CNT/polymer-nanokompositer

Hielscher Ultrasonics tillverkar ultraljudssonder med hög effekt för krävande dispergeringstillämpningar i laboratorier, i bänkskala och inom industrin. Dispergeringsutrustning från Hielscher Ultrasonics ger effektiv och exakt homogenisering och dispergering av nanomaterial i lösningsmedel, polymerer och kompositer.
Med sin avancerade ultraljudsteknik erbjuder denna dispergeringsutrustning en snabb och enkel lösning för att uppnå enhetlig partikelstorleksfördelning, stabila dispersioner och/eller funktionalisering av nanopartiklar.
Genom att förkorta bearbetningstiden och minimera energiförbrukningen kan dispergeringsutrustning med ultraljudssonder förbättra produktiviteten och minska driftskostnaderna för företag inom en rad olika branscher.
Hielschers ultraljudsapparater kan också anpassas till specifika krav, med valmöjligheter för olika sondstorlekar, boosterhorn, effektnivåer och flödesceller, vilket gör dem mångsidiga och anpassningsbara till olika nanoformuleringar och volymer.
Sammantaget är dispergeringsutrustning med ultraljudssonder en utmärkt investering för laboratorier och industrier som vill optimera sina arbetsflöden för bearbetning av nanomaterial och uppnå konsekventa, tillförlitliga resultat.

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för att uppfylla de högsta standarderna för kvalitet och konstruktion. Robusthet och enkel användning möjliggör smidig integration av våra ultraljudsapparater i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater hanterar tuffa förhållanden och krävande miljöer på ett tillförlitligt sätt.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och hög användarvänlighet. Hielschers ultraljudsapparater uppfyller naturligtvis CE-kraven och kraven enligt UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: