Диспергування вуглецевих нанотрубок у 3D-друкованих чорнилах

Однорідне диспергування ВНТ у 3D-друкованих чорнилах може покращити властивості чорнила та відкрити нові сфери застосування в різних галузях. Зондове ультразвукове диспергування є надзвичайно надійним методом для отримання стабільних наносуспензій ВНТ у полімерах.

Ефективне та стабільне диспергування ВНТ у полімерах завдяки ультразвуковій обробці

Вуглецеві нанотрубки (ВНТ) часто диспергують у силіконових оліях для різних застосувань завдяки їхнім унікальним властивостям. Диспергування ВНТ у силіконових оліях може покращити механічні, термічні та електричні властивості отриманих матеріалів. Одним із таких застосувань є виготовлення полімерів, легованих ВНТ, для провідних 3D-друкованих чорнил, наприклад, для біоосновного адитивного виробництва носимих тактильних сенсорів, індивідуальних каркасів для регенерації тканин пацієнтів та гнучких ЕКГ- та ЕЕГ-електродів.
Крім того, ВНТ, дисперговані в силіконових оліях, можуть використовуватися як провідні чорнила в електронних пристроях, таких як гнучкі дисплеї та сенсори. ВНТ діють як провідні шляхи, забезпечуючи протікання електричного струму.

Переваги ультразвукового диспергування ВНТ/полімерів

Ультразвукова обробка є дуже ефективним методом диспергування, який має кілька переваг. До переваг ультразвукового диспергування вуглецевих нанотрубок (ВНТ) у полімерах належать:

Загальний протокол ультразвукового виробництва композитів ВНТ/ПДМС

Ультразвукова обробка використовується для диспергування численних нанорозмірних матеріалів у полімерах. Специфічним і широко поширеним застосуванням є диспергування вуглецевих нанотрубок (CNTs) у диметилполісилоксані (PDMS) за допомогою ультразвукової обробки зондового типу. Для диспергування CNTs у матриці PDMS використовуються потужний ультразвук і результуючі ефекти акустичної кавітації, щоб розплутати нанотрубки та рівномірно змішати їх у наносуспензію. Ультразвукова обробка зондового типу є потужним методом диспергування CNTs завдяки здатності генерувати інтенсивні кавітаційні сили, які можуть ефективно руйнувати та диспергувати агломеровані CNTs.
Ультразвукове диспергування є простим етапом обробки, який не потребує специфічної попередньої або подальшої обробки. Саме ультразвукове обладнання є безпечним і простим в експлуатації.
Процес диспергування за допомогою ультразвукової обробки зондового типу зазвичай включає такі етапи:

1. Підготовка суміші CNT-PDMS: Заздалегідь визначена кількість CNTs додається до матриці PDMS і попередньо змішується за допомогою механічної мішалки. Цікаво, що попереднє диспергування CNTs у розчиннику може підвищити електропровідність. Найкращі результати досягаються за допомогою тетрагідрофурану (THF), ацетону або хлороформу (відсортовано за найкращими результатами).
2. Ультразвукова обробка зондового типу: Суміш піддається ультразвуковій обробці зондового типу за допомогою високоінтенсивного ультразвукового зонда, який генерує ультразвукові хвилі з частотою, зазвичай приблизно 20 kHz. Залежно від об’єму та складу, ультразвукова обробка зазвичай проводиться протягом кількох хвилин для забезпечення повного диспергування CNTs.
3. Моніторинг дисперсії: Дисперсію CNTs контролюють за допомогою таких методів, як скануюча електронна мікроскопія (SEM), трансмісійна електронна мікроскопія (TEM) або УФ-Вид спектроскопія. Ці методи можна використовувати для візуалізації розподілу CNTs у матриці PDMS і для забезпечення рівномірного диспергування CNTs.

Загалом, ультразвукова обробка зондового типу є потужним методом диспергування CNTs у полімерах, таких як PDMS, завдяки здатності генерувати інтенсивні кавітаційні сили, які можуть ефективно руйнувати та диспергувати агломеровані CNTs.

Приклади ультразвукового виготовлення композитів CNT/полімер

Диспергування нанотрубок та інших наноматеріалів на основі вуглецю за допомогою ультразвукової обробки зондового типу було ретельно досліджено та згодом впроваджено в промислове виробництво. Нижче ми наводимо кілька наукових досліджень, які демонструють виняткову ефективність ультразвукового диспергування нанотрубок.

Ультразвукове диспергування CNTs у PDMS для носимих сенсорів

Del Bosque et al. (2022) порівняли тривальцеве млинове подрібнення та ультразвукову обробку щодо їхньої ефективності диспергування CNTs. Аналіз процедури диспергування наночастинок у полімерну матрицю показує, що метод ультразвукової обробки забезпечує вищу електричну чутливість у порівнянні з тривальцевим млиновим подрібненням завдяки більшій однорідності розподілу CNTs, спричиненій кавітаційними силами. При тестуванні різних навантажень CNTs порогове значення перколяції системи CNT-PDMS, тобто критичний вміст CNTs, за якого вона стає електропровідною, було визначено як 0,4 wt% CNTs. Багатостінні вуглецеві нанотрубки (MWCNTs) були дисперговані за допомогою ультразвукової обробки з використанням ультразвукового апарату Hielscher UP400ST (див. зображення ліворуч) при 0,5 pulse cycles та 50 % амплітуді протягом 2h. Ефекти ультразвукового диспергування в ході часу ультразвукової обробки показані на зображенні нижче.
На основі цього аналізу оптимальні умови для виготовлення носимих сенсорів були обрані як 0,4 wt.% CNTs за допомогою процесу ультразвукової обробки. У цьому відношенні аналіз електричної реакції під час послідовних циклів навантаження показав високу надійність розроблених сенсорів без будь-якої наявності пошкоджень при 2%, 5% та 10% деформації, що робить ці сенсори надійними для моніторингу середньої деформації.

Ультразвукове диспергування MWCNTs у PDMS за допомогою ультразвукового апарату UP400St при різних часах ультразвукової обробки.
(Дослідження та зображення: ©del Bosque et al., 2022)

Високоефективне обладнання для ультразвукового диспергування для наноконкомпозитів CNT/полімер

Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові зонди для складних застосувань у диспергуванні в лабораторії, на робочому столі та в промисловості. Диспергатори Hielscher Ultrasonics забезпечують ефективне та точне гомогенізування і диспергування наноматеріалів у розчинниках, полімерах та композитах.
Завдяки своїй передовій ультразвуковій технології ці диспергатори пропонують швидке та просте рішення для досягнення однорідного розподілу розміру частинок, стабільних дисперсій та/або функціоналізації наночастинок.
Зменшуючи час обробки та мінімізуючи споживання енергії, ультразвукові зондові диспергатори можуть підвищити продуктивність та знизити експлуатаційні витрати для підприємств у різноманітних галузях промисловості.
Ультразвукові пристрої Hielscher також можна налаштувати відповідно до конкретних вимог, з опціями для різноманітних розмірів зондів, підсилювальних рогів, рівнів потужності та проточних комірок, що робить їх універсальними та адаптованими до різних наноформулювань та об’ємів.
Загалом, ультразвукові зондові диспергатори є чудовою інвестицією для лабораторій та промислових підприємств, які прагнуть оптимізувати свої робочі процеси обробки наноматеріалів та досягти стабільних, надійних результатів.

Дизайн, виробництво та консалтинг – Якість, вироблена в Німеччині

Ультразвукові пристрої Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність та простота експлуатації дозволяють легко інтегрувати наші ультразвукові пристрої в промислові об’єкти. Ультразвукові пристрої Hielscher надійно витримують суворі умови та вимогливі середовища.

Hielscher Ultrasonics – це компанія, сертифікована за ISO, яка приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим пристроям, що мають передові технології та зручність у використанні. Звісно, ультразвукові пристрої Hielscher відповідають вимогам CE та задовольняють стандарти UL, CSA та RoHs.

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну пропускну здатність наших ультразвукових пристроїв: