Nanoledande lim för högpresterande elektronik

Ultraljudsdispergeringsmedel används som tillförlitlig blandnings- och malningsteknik vid tillverkning av högpresterande lim för högpresterande elektronik och nanoelektronik. Vid tillverkning av högpresterande elektronik är lim som nanoledande lim mycket efterfrågade. Sådana högpresterande lim används t.ex. som alternativa sammankopplingar och kan ersätta tenn/blylod.

Högpresterande lim för högpresterande elektronik

För produktion av högpresterande elektronik krävs lim med hög metallvidhäftningsförmåga och värmeledningsförmåga för värmefrikoppling och isolering. Nanopartiklar som silver, nickel, grafen, grafenoxid och kolnanorör (CNT) ingår ofta i epoxihartser och polymerer för att uppnå önskade funktionella egenskaper såsom elektrisk ledningsförmåga eller isolering, värmeledningsförmåga, draghållfasthet, Youngs modul och flexibilitet. Högpresterande lim utvecklade för högpresterande metallfyllmedel för elektronisk användning (t.ex. silver-, guld-, nickel- eller kopparnanopartiklar) för att ge elektrisk ledningsförmåga. För att kunna frigöra extraordinära egenskaper hos dessa material måste deras storlek reduceras till nanoskala. Eftersom storleksreduktion och dispersion av nanopartiklar är en utmanande uppgift är en kraftfull malnings- och dispergeringsteknik nyckeln till framgångsrika limformuleringar.

Ultraljudsdispergering erbjuder olika fördelar jämfört med traditionella blandnings- och malningstekniker. På grund av dess tillförlitlighet och effektivitet har ultraljudsbehandling etablerats inom bearbetning av nanomaterial och kan hittas i alla industrier där nanopartiklar syntetiseras och/eller införlivas i vätskor. Ultraljud är därför den idealiska tekniken för produktion av nanoledande lim som innehåller nano-fyllmedel såsom nanopartiklar, nanotrådar, eller kolnanorör och grafenmonolager (nanoark).
Exportkreditinstitut: Ett framträdande exempel är formuleringen av elektriskt ledande lim (ECA), som är kompositer gjorda av en polymermatris och elektriskt ledande fyllmedel. För att kunna formulera ett högpresterande lim för elektroniska applikationer måste ett polymerharts (t.ex. epoxi, silikon, polyimid) tillhandahålla fysiska och mekaniska funktioner såsom vidhäftning, mekanisk hållfasthet, slaghållfasthet, medan metallfyllningen (t.ex. nano-silver, nano-guld, nano-nickel eller nano-koppar) skapar överlägsen elektrisk ledningsförmåga. För lim med isolerande egenskaper ingår mineralbaserade fyllmedel i limkompositen.

Före och efter ultraljudsbehandling: Den gröna kurvan visar partikelstorleken före ultraljudsbehandling, den röda kurvan är partikelstorleksfördelningen av ultraljudsdispergerad kiseldioxid.

Ultraljudsdispersion av nanomaterial till viskösa lim

Ultraljudshomogenisatorer är mycket effektiva när partikelagglomerat, aggregat och till och med primära partiklar måste reduceras på ett tillförlitligt sätt. Fördelen med ultraljudsblandare är deras förmåga att mala ner partiklar till mindre och mer enhetliga partikelstorlekar, oavsett om mikron- eller nanopartiklar är riktade som processresultat. Medan andra tekniker som blad- eller rotor-statorblandare, högtryckshomogenisatorer, pärlkvarnar etc. visar nackdelar som oförmåga att producera jämnt små nanopartiklar, kontaminering av malningsmedier, igensatta munstycken och hög energiförbrukning, använder ultraljudsdispergeringsapparater arbetsprincipen för akustisk kavitation. Ultraljudsgenererad kavitation har visat sig vara mycket effektiv, energieffektiv och kapabel att dispergera även högviskösa material som nanopartikelladdade pastor.

Hur fungerar ultraljudsdispergering?

Kavitationella skjuvkrafter och vätskeströmmar accelererar partiklar så att de kolliderar med varandra. Detta är känt som interpartikelkollision. Partiklarna i sig fungerar som malningsmedium, vilket undviker kontaminering genom malning av pärlor och den efterföljande separationsprocessen, vilket är nödvändigt när konventionella pärlkvarnar används. Eftersom partiklarna splittras genom kollision mellan partiklarna med mycket höga hastigheter på upp till 280 m/sek, utsätts partiklarna för utomordentligt höga krafter, och de bryts därför sönder i mycket små fraktioner. Friktion och erosion ger dessa partikelfragment en polerad yta och en enhetligt form. Kombinationen av skjuvkrafter och interpartikelkollision ger ultraljudshomogenisering och dispersion den fördelaktiga kanten som ger mycket homogena kolloidala suspensioner och dispersioner!
En annan fördel med höga skjuvkrafter som genereras av ultraljud är effekten av skjuvförtunning. Till exempel visar ultraljudspreparerade epoxihartser fyllda med oxiderade CNT skjuvförtunningsbeteende. Eftersom skjuvförtunning tillfälligt sänker vätskans viskositet underlättas bearbetningen av viskösa kompositer.

En höghastighetssekvens (från a till f) av ramar som illustrerar sono-mekanisk exfoliering av en grafitflaga i vatten med hjälp av UP200S, en 200W ultraljudsapparat med 3 mm sonotrode. Pilar visar platsen för delning (exfoliering) med kavitationsbubblor som tränger in i delningen.
(Studie och bilder: © Tyurnina et al. 2020)

Jämförelse av olika nanofyllmedel dispergerade i härdare (ultraljudsbehandling - USA): (a) 0,5 viktprocent kolnanofiber (CNF); b) 0,5 viktprocent CNToxi, c) 0,5 viktprocent kolnanorör (CNT), d) 0,5 viktprocent CNT halvdispersioner.
(Studie och bild: © Zanghellini et al., 2021)

Ultraljudsapparater med hög effekt för formulering av högpresterande lim

Hielscher Ultrasonics är specialist när det gäller högpresterande ultraljudsutrustning för bearbetning av vätskor och slam. Ultraljudsdispergeringsmedel gör det möjligt att bearbeta högviskösa material, t.ex. högfyllda hartser, och säkerställa en jämn fördelning av nanomaterial inom kompositer.
Den exakta kontrollen över ultraljudsprocessparametrar som amplitud, energitillförsel, temperatur, tryck och tid gör det möjligt att skräddarsy lim i nanometerområdet.
Oavsett om din formulering kräver dispersion av organiska eller oorganiska nano-fyllmedel såsom nanorör, cellulosa nano-kristaller (CNC), nanofibrer, eller nano-metaller, har Hielscher Ultrasonics den perfekta ultraljud setup för din lim formulering.
Hielscher Ultrasonics’ Industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder och kan deagglomerera och dispergera nanomaterial även vid mycket höga viskositeter. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift.
Hielscher ultraljudsapparater är kända för sin kvalitet, tillförlitlighet och robusthet. 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: