Диспергування вуглецевих нанотрубок у чорнилах, придатних для 3D-друку

Рівномірна дисперсія ВНТ у чорнилах, придатних для 3D-друку, може покращити властивості чорнила та забезпечити нові застосування в різних галузях. Ультразвук зондового типу є високонадійним методом диспергування для отримання стабільних наносуспензій ВНТ у полімерах.

Ефективне та стабільне диспергування ВНТ у полімерах завдяки ультразвуковому дослідженню

Вуглецеві нанотрубки (ВНТ) часто диспергують у кремнієвих оліях для різних застосувань завдяки їхнім унікальним властивостям. Диспергування ВНТ у кремнієвих оліях може покращити механічні, термічні та електричні властивості одержуваних матеріалів. Одним з таких застосувань є виготовлення полімерів, легованих ВНТ, для провідних чорнил для 3D-друку, наприклад, для біоадитивного виробництва носимих тактильних датчиків, каркасів для регенерації тканин, специфічних для пацієнта, а також гнучких електродів ЕКГ та ЕЕГ.
Крім того, ВНТ, дисперговані в кремнієвих оліях, можуть використовуватися як струмопровідні чорнила в електронних пристроях, таких як гнучкі дисплеї та датчики. ВНТ діють як провідні шляхи, що забезпечують протікання електричного струму.

Переваги ультразвукової ВНТ/полімерної дисперсії

Ультразвук є дуже ефективним методом диспергування, який має ряд переваг. До переваг ультразвукового диспергування вуглецевих нанотрубок (ВНТ) у полімерах можна віднести:

Загальний протокол ультразвукового виробництва композитів CNT/PDMS

Ультразвук використовується для диспергування численних нанорозмірних матеріалів у полімерах. Специфічним і часто використовуваним застосуванням є диспергування вуглецевих нанотрубок (ВНТ) у диметилполісилоксані (PDMS) за допомогою ультразвуку зондового типу. Для того, щоб розсіяти ВНТ у матриці PDMS, силовий ультразвук і результуючі ефекти акустичної кавітації використовуються для розплутування нанотрубок і рівномірного змішування їх у наносуспензію. Ультразвукова діагностика зондового типу є потужним методом диспергування ВНТ завдяки своїй здатності генерувати інтенсивні кавітаційні сили, які можуть ефективно розщеплювати та розсіювати агломеровані ВНТ.
Ультразвукове диспергування є простим етапом обробки, який не вимагає спеціальної попередньої або подальшої обробки. Саме ультразвукове обладнання є безпечним і простим в експлуатації.
Процес диспергування за допомогою зондового типу ультразвуку зазвичай включає в себе наступні етапи:

1. Приготування суміші CNT-PDMS: У матрицю PDMS додається задана кількість ВНТ і попередньо перемішується за допомогою механічної мішалки. Цікаво, що шляхом попереднього диспергування ВНТ у розчиннику можна було збільшити електропровідність. Найкращі результати досягають тетрагідрофуран (THF), ацетон або хлороформ (відсортовані за найкращими результатами).
2. Ультразвукове дослідження зондового типу: Суміш піддається ультразвуковому дослідженню зондового типу за допомогою високоінтенсивного ультразвукового зонда, який генерує ультразвукові хвилі з частотою, як правило, близько 20 кГц. Залежно від обсягу та рецептури, ультразвукова діагностика зазвичай проводиться протягом кількох хвилин, щоб забезпечити повне розсіювання ВНТ.
3. Моніторинг дисперсії: Дисперсія ВНТ контролюється за допомогою таких методів, як скануюча електронна мікроскопія (SEM), трансмісійна електронна мікроскопія (TEM) або спектроскопія UV-Vis. Ці методи можуть бути використані для візуалізації розподілу ВНТ у матриці PDMS та забезпечення рівномірного розподілу ВНТ.

Таким чином, ультразвукова діагностика зондового типу є потужним методом диспергування ВНТ у полімерах, таких як PDMS, завдяки своїй здатності генерувати інтенсивні кавітаційні сили, які можуть ефективно розщеплювати та розсіювати агломеровані ВНТ.

Приклади ультразвукового виготовлення композитів ВНТ/полімерів

Диспергування нанотрубок та інших наноматеріалів на основі вуглецю за допомогою ультразвуку зондового типу було широко досліджено і згодом впроваджено в промислове виробництво. Нижче ми представляємо кілька досліджень, які демонструють виняткову ефективність дисперсії ультразвукових нанотрубок.

Ультразвукова дисперсія ВНТ в PDMS для носимих датчиків

Del Bosque et al. (2022) порівняли тривалкове фрезерування та ультразвукову обробку за ефективністю дисперсії ВНТ. Аналіз процедури диспергування наночастинок в полімерну матрицю показує, що метод ультразвуку забезпечує більш високу електричну чутливість в порівнянні з тривалковим фрезеруванням за рахунок більш високої однорідності розподілу ВНТ, індукованого силами кавітації. При тестуванні різних навантажень ВНТ було встановлено, що поріг перколяції системи CNT-PDMS, тобто критичний вміст ВНТ, при якому вона стає електропровідною, становить 0,4 мас.% ВНТ. Багатостінні вуглецеві нанотрубки (MWCNT) були дисперговані ультразвуковим способом за допомогою ультразвукового UP400ST Hielscher (див. малюнок ліворуч) з 0,5 імпульсними циклами та 50% амплітудою протягом 2 год. Ефекти ультразвукового диспергування протягом часу ультразвукового випромінювання показані на малюнку нижче.
На основі цього аналізу були обрані оптимальні умови для виготовлення носимих датчиків – 0,4 мас.% ВНТ за допомогою ультразвукового процесу. У зв'язку з цим, аналіз електричного відгуку при послідовних циклах навантаження показав високу надійність розроблених датчиків, без наявності пошкоджень при деформації 2%, 5% і 10%, що робить ці датчики надійними для моніторингу середньої деформації.

Ультразвукова диспергація МВЦНТ в ПМС за допомогою ультразвукового апарату UP400St в різний час ультразвуку.
(Дослідження та зображення: ©del Bosque et al., 2022)

Високопродуктивне ультразвукове диспергуюче обладнання для ВНТ/полімерних нанокомпозитів

Hielscher Ultrasonics виробляє потужні ультразвукові датчики для вимогливих диспергаційних застосувань у лабораторіях, настільних та промислових роботах. Диспергатори Hielscher Ultrasonics забезпечують ефективну і точну гомогенізацію і диспергування наноматеріалів в розчинниках, полімерах і композитах.
Завдяки передовій ультразвуковій технології ці диспергатори пропонують швидке та просте рішення для досягнення рівномірного розподілу частинок за розміром, стабільних дисперсій та/або функціоналізації наночастинок.
Скорочуючи час обробки та мінімізуючи споживання енергії, ультразвукові зондові диспергатори можуть підвищити продуктивність і знизити експлуатаційні витрати для підприємств у різних галузях.
Ультразвукові апарати Hielscher також можна налаштувати відповідно до конкретних вимог, з варіантами різних розмірів зондів, підсилювачів, рівнів потужності та проточних комірок, що робить їх універсальними та адаптованими до різних наноформул та обсягів.
Загалом, ультразвукові зондові диспергатори є чудовою інвестицією для лабораторій і галузей, які прагнуть оптимізувати свої робочі процеси обробки наноматеріалів і досягти стабільних, надійних результатів.

Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та складними умовами надійно справляються ультразвукові апарати Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: