Dispersion av kolnanorör i 3D-utskrivbart bläck

En enhetlig spridning av CNT i 3D-utskrivbart bläck kan förbättra bläckets egenskaper och möjliggöra nya tillämpningar inom olika områden. Sond-typ ultraljud är en mycket tillförlitlig dispergeringsteknik för att producera stabila nanosuspensioner av CNT i polymerer.

Effektiv och stabil CNT-dispersion i polymerer på grund av ultraljudsbehandling

Kolnanorör (CNT) är ofta dispergerade i kiseloljor för olika tillämpningar på grund av deras unika egenskaper. Dispersionen av CNT i kiseloljor kan förbättra de mekaniska, termiska och elektriska egenskaperna hos de resulterande materialen. En sådan tillämpning är tillverkning av CNT-dopade polymerer för ledande 3D-utskrivbara bläck, t.ex. för biobaserad additiv tillverkning av bärbara taktila sensorer, patientspecifika vävnadsregenereringsställningar och flexibla EKG- och EEG-elektroder.
Dessutom kan CNT:er dispergerade i kiseloljor användas som ledande bläck i elektroniska enheter, såsom flexibla displayer och sensorer. CNT:erna fungerar som ledande vägar, vilket möjliggör flödet av elektrisk ström.

Fördelar med ultraljud CNT / polymerdispersion

Ultraljud är en mycket effektiv dispergeringsteknik, som kommer med flera fördelar. Fördelarna med ultraljudsdispergering av kolnanorör (CNT) i polymerer inkluderar:

Allmänt protokoll för ultraljudsproduktion av CNT / PDMS-kompositer

Ultraljud används för spridning av många nano-storlek material i polymerer. En specifik och ofta använd tillämpning är dispersion av kolnanorör (CNT) i dimetylpolysiloxan (PDMS) med hjälp av sond-typ ultraljudsbehandling. För att dispergera CNT:er i PDMS-matrisen används kraftultraljud och de resulterande effekterna av akustisk kavitation för att reda ut nanorören och blanda dem enhetligt till en nanosuspension. Sond-typ ultraljudsbehandling är en kraftfull metod för att sprida CNT på grund av dess förmåga att generera intensiva kavitationskrafter som effektivt kan bryta upp och sprida agglomererade CNT.
Ultraljudsdispersion är ett enkelt bearbetningsteg som inte kräver någon specifik för- eller efterbehandling. Själva ultraljudsutrustningen är säker och enkel att använda.
Processen för dispersion med hjälp av sond-typ ultraljudsbehandling innebär vanligtvis följande steg:

1. Beredning av CNT-PDMS-blandningen: En förutbestämd mängd CNT tillsätts till PDMS-matrisen och förblandas med hjälp av mekanisk omrörare. Intressant nog kan den elektriska ledningsförmågan ökas genom att fördispergera CNT i ett lösningsmedel. Bäst resultat uppnås med tetrahydrofuran (THF), aceton eller kloroform (sorterat efter bästa resultat).
2. Ultraljudsbehandling av sondtyp: Blandningen utsätts för sond-typ ultraljudsbehandling med hjälp av en högintensiv ultraljudssond som genererar ultraljudsvågor med en frekvens av typiskt ca 20 kHz. Beroende på volym och formulering, ultraljudsbehandling utförs vanligtvis i flera minuter för att säkerställa fullständig spridning av CNT.
3. Övervakning av spridningen: Dispersionen av CNT övervakas med hjälp av tekniker som svepelektronmikroskopi (SEM), transmissionselektronmikroskopi (TEM) eller UV-Vis-spektroskopi. Dessa tekniker kan användas för att visualisera fördelningen av CNT:er inom PDMS-matrisen och för att säkerställa att CNT:erna är jämnt fördelade.

Sammanfattningsvis, sond-typ ultraljudsbehandling är en kraftfull metod för att sprida CNT i polymerer såsom PDMS på grund av dess förmåga att generera intensiva kavitationskrafter som effektivt kan bryta upp och sprida agglomererade CNT.

Fallstudier av ultraljudstillverkning av CNT / Polymer kompositer

Dispersionen av nanorör och andra kolbaserade nanomaterial med hjälp av sond-typ ultraljud har undersökts omfattande och har därefter implementerats i industriell produktion. Nedan presenterar vi några forskningsstudier som visar den exceptionella effektiviteten av ultraljudsnanorörsdispersion.

Ultraljudsdispersion av CNT i PDMS för bärbara sensorer

Del Bosque et al. (2022) jämförde trevalsfräsning och ultraljudsbehandling för deras effektivitet av CNT-dispersion. Analysen av dispersionsförfarandet för nanopartiklar i polymermatrisen visar att ultraljudstekniken ger en högre elektrisk känslighet jämfört med trevalsfräsning på grund av den högre homogeniteten i CNT-fördelningen som induceras av kavitationskrafterna. Vid testning av olika CNT-belastningar visade det sig att perkolationströskeln för CNT-PDMS-systemet, det vill säga det kritiska CNT-innehållet där det blir elektriskt ledande, var 0,4 viktprocent CNT. Multi-Wall Carbon Nanotubes (MWCNTs) dispergerades genom ultraljud med hjälp av Hielscher ultraljudsapparat UP400ST (se bilden till vänster) vid 0,5 pulscykler och 50 % amplitud för 2 timmar. Effekterna av ultraljud dispersion under loppet av ultraljudsbehandling tid visas i bilden nedan.
Baserat på denna analys valdes de optimala förhållandena för tillverkning av de bärbara sensorerna som 0,4 viktprocent CNT med hjälp av en ultraljudsprocess. I detta avseende visade en analys av den elektriska responsen under på varandra följande belastningscykler en hög robusthet hos de utvecklade sensorerna, utan någon förekomst av skador vid 2 %, 5 % och 10 % töjning, vilket gör dessa sensorer tillförlitliga för övervakning av mediumtöjning.

Ultraljud dispersion av MWCNTs i PDMS med hjälp av ultraljudsapparaten UP400St vid olika ultraljudsbehandling gånger.
(Studie och bild: ©del Bosque et al., 2022)

Högpresterande ultraljudsdispergeringsutrustning för CNT / polymer nanokompositer

Hielscher Ultrasonics tillverkar ultraljudssonder med hög effekt för krävande dispergerande applikationer i labb, bänkskivor och industri. Hielscher Ultrasonics dispergeringsmedel ger effektiv och exakt homogenisering och dispersion av nanomaterial i lösningsmedel, polymerer och kompositer.
Med sin avancerade ultraljudsteknik erbjuder dessa dispergeringsapparater en snabb och enkel lösning för att uppnå enhetlig partikelstorleksfördelning, stabila dispersioner och/eller nanopartikelfunktionalisering.
Genom att minska bearbetningstiden och minimera energiförbrukningen kan ultraljudssonddispergare förbättra produktiviteten och minska driftskostnaderna för företag inom en mängd olika branscher.
Hielscher ultraljudsapparater kan också anpassas för att passa specifika krav, med alternativ för en rad sondstorlekar, boosterhorn, effektnivåer och flödesceller, vilket gör dem mångsidiga och anpassningsbara till olika nano-formuleringar och volymer.
Sammantaget är ultraljudssonddispergare en utmärkt investering för laboratorier och industrier som vill optimera sina arbetsflöden för bearbetning av nanomaterial och uppnå konsekventa, tillförlitliga resultat.

Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras på ett tillförlitligt sätt av Hielscher ultraljudsapparater.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: