3D Baskıya Uygun Mürekkeplerde Karbon Nanotüplerin Dispersiyonu

CNT’lerin 3D baskıya uygun mürekkeplerde homojen dispersiyonu, mürekkebin özelliklerini iyileştirebilir ve çeşitli alanlarda yeni uygulamalara olanak tanıyabilir. Prob tipi ultrasonikasyon, polimerlerde kararlı CNT nanosüspansiyonları üretmek için son derece güvenilir bir dispersiyon tekniğidir.

Sonikasyon ile Polimerlerde Verimli ve Kararlı CNT Dispersiyonu

Karbon nanotüpler (CNT’ler), benzersiz özellikleri nedeniyle çeşitli uygulamalar için sıklıkla silisyum yağlarında disperse edilir. CNT’lerin silisyum yağlarında dispersiyonu, ortaya çıkan malzemelerin mekanik, termal ve elektriksel özelliklerini iyileştirebilir. Bu uygulamalardan biri, örneğin giyilebilir dokunsal sensörlerin, hastaya özgü doku rejenerasyonu iskelelerinin ve esnek ECG ve EEG elektrotlarının biyolojik kaynaklı eklemeli imalatı için iletken, 3D baskıya uygun mürekkeplerde kullanılacak CNT katkılı polimerlerin üretimidir.
Ayrıca silisyum yağlarında disperse edilmiş CNT’ler, esnek ekranlar ve sensörler gibi elektronik cihazlarda iletken mürekkep olarak kullanılabilir. CNT’ler iletken yollar oluşturarak elektrik akımının geçmesine olanak tanır.

Ultrasonik CNT/Polimer Dispersiyonunun Avantajları

Ultrasonikasyon, çeşitli faydalar sunan çok verimli bir dispersiyon tekniğidir. Karbon nanotüplerin (CNT’lerin) polimerlerde ultrasonik dispersiyonunun avantajları şunlardır:

CNT/PDMS Kompozitlerinin Ultrasonik Üretimi için Genel Protokol

Ultrasonikasyon, çok sayıda nano boyutlu malzemenin polimerlerde dispersiyonu için kullanılır. Belirli ve yaygın olarak kullanılan bir uygulama, karbon nanotüplerin (CNT’lerin) prob tipi sonikasyon kullanılarak dimetilpolisiloksanda (PDMS) dispersiyonudur. CNT’leri PDMS matrisinde disperse etmek için güç ultrasonu ve bunun sonucunda oluşan akustik kavitasyon etkileri, birbirine dolanmış nanotüpleri ayırmak ve bunları homojen biçimde karıştırarak bir nanosüspansiyon oluşturmak için kullanılır. Prob tipi sonikasyon, aglomere olmuş CNT’leri etkili biçimde parçalayabilen ve disperse edebilen yoğun kavitasyon kuvvetleri oluşturma yeteneği sayesinde CNT’lerin dispersiyonu için güçlü bir yöntemdir.
Ultrasonik dispersiyon, özel bir ön işlem veya son işlem gerektirmeyen basit bir işleme adımıdır. Ultrasonik ekipmanın kendisi güvenlidir ve kullanımı kolaydır.
Prob tipi sonikasyonla dispersiyon süreci genellikle aşağıdaki adımları içerir:

1. CNT-PDMS Karışımının Hazırlanması: Önceden belirlenmiş miktarda CNT, PDMS matrisine eklenir ve mekanik bir karıştırıcı kullanılarak ön karıştırma yapılır. İlginç bir şekilde, CNT’lerin bir çözücüde ön dispersiyonu ile elektriksel iletkenlik artırılabilir. En iyi sonuçlar tetrahidrofuran (THF), aseton veya kloroform ile elde edilir (en iyi sonuçlara göre sıralanmıştır).
2. Prob Tipi Sonikasyon: Karışım, tipik olarak yaklaşık 20 kHz frekansında ultrason dalgaları üreten yüksek yoğunluklu bir ultrasonik prob kullanılarak prob tipi sonikasyona tabi tutulur. Hacme ve formülasyona bağlı olarak sonikasyon, CNT’lerin tam dispersiyonunu sağlamak için genellikle birkaç dakika boyunca gerçekleştirilir.
3. Dispersiyonun İzlenmesi: CNT’lerin dispersiyonu, taramalı elektron mikroskopisi (SEM), geçirimli elektron mikroskopisi (TEM) veya UV-Vis spektroskopisi gibi teknikler kullanılarak izlenir. Bu teknikler, CNT’lerin PDMS matrisi içindeki dağılımını görselleştirmek ve CNT’lerin homojen biçimde disperse edildiğinden emin olmak için kullanılabilir.

Özetle, prob tipi sonikasyon, aglomere olmuş CNT’leri etkili biçimde parçalayabilen ve disperse edebilen yoğun kavitasyon kuvvetleri oluşturma yeteneği sayesinde CNT’lerin PDMS gibi polimerlerde dispersiyonu için güçlü bir yöntemdir.

CNT/Polimer Kompozitlerinin Ultrasonik Üretimine İlişkin Vaka Çalışmaları

Nanotüplerin ve diğer karbon bazlı nanomalzemelerin prob tipi ultrasonikasyonla dispersiyonu kapsamlı biçimde araştırılmış ve ardından endüstriyel üretimde uygulanmıştır. Aşağıda, ultrasonik nanotüp dispersiyonunun olağanüstü verimliliğini gösteren birkaç araştırma çalışmasını sunuyoruz.

Giyilebilir sensörler için CNT’lerin PDMS içinde ultrasonik dispersiyonu

Del Bosque ve diğerleri (2022), üç silindirli öğütme ile sonikasyonu CNT dispersiyonundaki etkinlikleri açısından karşılaştırmıştır. Nanopartiküllerin polimer matrisine dispersiyon prosedürünün analizi, ultrasonikasyon tekniğinin, kavitasyon kuvvetlerinin sağladığı daha homojen CNT dağılımı sayesinde üç silindirli öğütmeye kıyasla daha yüksek elektriksel duyarlılık sağladığını göstermektedir. Çeşitli CNT yüklemeleri test edilerek CNT-PDMS sisteminin perkolasyon eşiği, yani sistemin elektriksel olarak iletken hâle geldiği kritik CNT içeriği, 0,4 wt% CNT olarak bulunmuştur. Çok Duvarlı Karbon Nanotüpler (MWCNT’ler), Hielscher UP400ST sonikatörü (soldaki resme bakınız) kullanılarak 0,5 darbe çevriminde ve %50 genlikte 2h boyunca ultrasonikasyonla disperse edilmiştir. Ultrasonik dispersiyonun sonikasyon süresi boyunca gösterdiği etkiler aşağıdaki resimde gösterilmektedir.
Bu analize dayanarak giyilebilir sensörlerin üretimi için optimum koşullar, ultrasonikasyon işlemiyle 0,4 wt.% CNT olarak seçilmiştir. Bu bağlamda, ardışık yükleme çevrimleri altındaki elektriksel tepkinin analizi, geliştirilen sensörlerin %2, %5 ve %10 gerinimde herhangi bir hasar olmaksızın yüksek dayanıklılık gösterdiğini ortaya koymuştur; bu da bu sensörleri orta düzey gerinimin izlenmesi için güvenilir kılmaktadır.

Çeşitli sonikasyon sürelerinde UP400St sonikatörü kullanılarak MWCNT’lerin PDMS içinde ultrasonik dispersiyonu.
(Çalışma ve görsel: ©del Bosque et al., 2022)

CNT/Polimer Nanokompozitleri için Yüksek Performanslı Ultrasonik Dispersiyon Ekipmanı

Hielscher Ultrasonics, laboratuvar, tezgâh üstü ve endüstriyel ölçekteki zorlu dispersiyon uygulamaları için yüksek güçlü ultrason probları üretir. Hielscher Ultrasonics dispersiyon cihazları, nanomalzemelerin çözücülerde, polimerlerde ve kompozitlerde verimli ve hassas homojenizasyonunu ve dispersiyonunu sağlar.
Bu dispersiyon cihazları, gelişmiş ultrasonik teknolojileriyle homojen partikül boyutu dağılımı, kararlı dispersiyonlar ve/veya nanopartikül işlevselleştirmesi elde etmek için hızlı ve kolay bir çözüm sunar.
Ultrasonik prob tipi dispersiyon cihazları, işleme süresini azaltarak ve enerji tüketimini en aza indirerek çeşitli sektörlerdeki işletmelerin üretkenliğini artırabilir ve işletme maliyetlerini azaltabilir.
Hielscher sonikatörleri ayrıca çeşitli prob boyutları, güçlendirici hornlar, güç seviyeleri ve akış hücreleri seçenekleriyle özel gereksinimlere göre özelleştirilebilir; bu da onları çok yönlü ve çeşitli nanoformülasyonlara ve hacimlere uyarlanabilir kılar.
Genel olarak ultrasonik prob tipi dispersiyon cihazları, nanomalzeme işleme iş akışlarını optimize etmek ve tutarlı, güvenilir sonuçlar elde etmek isteyen laboratuvarlar ve endüstriyel işletmeler için mükemmel bir yatırımdır.

Tasarım, Üretim ve Danışmanlık – Almanya’da Üretilen Kalite

Hielscher sonikatörleri, en yüksek kalite ve tasarım standartlarıyla tanınır. Sağlamlık ve kolay kullanım, sonikatörlerimizin endüstriyel tesislere sorunsuz entegrasyonuna olanak tanır. Hielscher sonikatörleri, zorlu koşullar ve güçlüklerle dolu ortamlarla güvenilir biçimde başa çıkar.

Hielscher Ultrasonics, ISO sertifikalı bir şirkettir ve en son teknolojiye ve kullanıcı dostu özelliklere sahip yüksek performanslı sonikatörlere özel önem verir. Elbette Hielscher sonikatörleri CE ile uyumludur ve UL, CSA ve RoHs gereksinimlerini karşılar.

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bilgi verir: