Nanoledande lim för högpresterande elektronik

Ultraljudsdispergerare används som en 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 elektriska förbindningar och kan ersätta tenn-/blylod.

Högpresterande lim för högpresterande elektronik

För tillverkning av högpresterande elektronik krävs lim med hög vidhäftning till metall och hög värmeledningsförmåga för termisk frikoppling och isolering. Nanopartiklar såsom silver, nickel, grafen, grafenoxid och kolnanorör (CNT) införlivas ofta i epoxihartser och polymerer för att uppnå önskade funktionella egenskaper såsom elektrisk ledningsförmåga eller isolering, värmeledningsförmåga, draghållfasthet, Youngs modul och flexibilitet. Högpresterande lim som utvecklats för högpresterande elektronik använder metallfyllmedel (såsom nanopartiklar av silver, guld, nickel eller koppar) för att ge elektrisk ledningsförmåga. För att frigöra dessa materials extraordinära egenskaper måste deras storlek minskas till nanoskala. Eftersom storleksreduktion och dispergering av nanopartiklar är en krävande uppgift är kraftfull malnings- och dispergeringsteknik avgörande för framgångsrika limformuleringar.

Ultraljudsdispergering erbjuder flera fördelar jämfört med traditionella blandnings- och malningstekniker. Tack vare sin tillförlitlighet och effektivitet har ultraljudsbehandling etablerats inom bearbetning av nanomaterial och förekommer i alla branscher där nanopartiklar syntetiseras och/eller införlivas i vätskor. Ultraljudsbehandling är därför den idealiska tekniken för tillverkning av nanoledande lim som innehåller nanofyllmedel såsom nanopartiklar, nanotrådar eller kolnanorör och grafenmonolager (nanoark).
ECA: Ett framträdande exempel är formulering av elektriskt ledande lim (ECA), som är kompositer bestående av en polymermatris och elektriskt ledande fyllmedel. För att formulera ett högpresterande lim för elektroniktillämpningar måste ett polymerharts (t.ex. epoxi, silikon eller polyimid) ge fysikaliska och mekaniska funktioner såsom vidhäftning, mekanisk hållfasthet och slaghållfasthet, medan metallfyllmedlet (t.ex. nanosilver, nanoguld, nanonickel eller nanokoppar) ger överlägsen elektrisk ledningsförmåga. För lim med isolerande egenskaper införlivas mineralbaserade fyllmedel i limkompositen.

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

Ultraljudsdispergering av nanomaterial i viskösa lim

Ultraljudshomogenisatorer är mycket verkningsfulla när partikelagglomerat, aggregat och till och med primärpartiklar måste storleksreduceras på ett tillförlitligt sätt. Fördelen med ultraljudsblandare är deras förmåga att mala partiklar till mindre och mer enhetliga partikelstorlekar, oavsett om processens mål är mikro- eller nanopartiklar. Medan andra tekniker såsom blad- eller rotor–statorblandare, högtryckshomogenisatorer, pärlkvarnar osv. har nackdelar såsom oförmåga att framställa jämnt små nanopartiklar, kontaminering från malmedier, igensatta munstycken och hög energiförbrukning, arbetar ultraljudsdispergerare enligt principen för akustisk kavitation. Ultraljudsgenererad kavitation har visat sig vara mycket verkningsfull och energieffektiv samt kunna dispergera även högviskösa material såsom pastor med nanopartiklar.

Hur fungerar ultraljudsdispergering?

Skjuvkrafter från kavitation och vätskeströmmar accelererar partiklar så att de kolliderar med varandra. Detta kallas interpartikulär kollision. Partiklarna själva fungerar som malmedium, vilket undviker kontaminering från malpärlor och den efterföljande separationsprocess som är nödvändig när konventionella pärlkvarnar används. Eftersom partiklarna splittras genom interpartikulära kollisioner vid mycket höga hastigheter på upp till 280m/sec utsätts de för extraordinärt höga krafter och bryts därför sönder i mycket små fragment. Friktion och erosion ger dessa partikelfragment en polerad yta och en enhetlig form. Kombinationen av skjuvkrafter och interpartikulära kollisioner ger ultraljudshomogenisering och ultraljudsdispergering en fördel genom att ge mycket homogena kolloidala suspensioner och dispersioner!
En annan fördel med de höga skjuvkrafter som genereras av ultraljud är den skjuvförtunnande effekten. Exempelvis uppvisar ultraljudsframställda epoxihartser fyllda med oxiderade CNT skjuvförtunnande beteende. Eftersom skjuvförtunning tillfälligt sänker vätskans viskositet underlättas bearbetningen av viskösa kompositer.

En höghastighetssekvens av bildrutor (från a till f) som illustrerar sonomekanisk exfoliering av ett grafitflag i vatten med UP200S, en 200W ultraljudsapparat med en 3-mm sonotrod. Pilarna visar platsen för delningen (exfolieringen), där kavitationsbubblor tränger in i sprickan.
(Studie och bilder:© Tyurnina et al. 2020)

Jämförelse av olika nanofyllmedel dispergerade i härdare (ultraljudsbehandling–US): (a) 0,5 wt% kolnanofiber (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% kolnanorör (CNT); (d) 0,5 wt% delvis dispergerade CNT.
(Studie och bild: © Zanghellini et al., 2021)

Ultraljudsapparater med hög effekt för formulering av högpresterande lim

Hielscher Ultrasonics är specialist på högpresterande ultraljudsutrustning för bearbetning av vätskor och slurryer. Ultraljudsdispergerare möjliggör bearbetning av högviskösa material såsom hartser med hög fyllmedelshalt och säkerställer en enhetlig fördelning av nanomaterial i kompositer.
Den exakta kontrollen över ultraljudsprocessens parametrar såsom amplitud, energitillförsel, temperatur, tryck och tid gör det möjligt att skräddarsy lim på nanometernivå.
Oavsett om din formulering kräver dispergering av organiska eller oorganiska nanofyllmedel såsom nanorör, cellulosananokristaller (CNC), nanofibrer eller nanometaller har Hielscher Ultrasonics den idealiska ultraljudsuppställningen för din limformulering.
Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder och kan deagglomerera och dispergera nanomaterial även vid mycket höga viskositeter. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan.
Hielschers 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 hög användarvänlighet. Hielschers ultraljudsapparater är naturligtvis CE-kompatibla och uppfyller kraven enligt UL, CSA och RoHs.
Tabellen nedan ger en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: