Phân tán ống nano carbon trong mực có thể in 3D

Sự phân tán đồng đều của CNT trong mực có thể in 3D có thể cải thiện các tính chất của mực và mở ra những ứng dụng mới trong nhiều lĩnh vực. Xử lý siêu âm bằng đầu dò là kỹ thuật phân tán có độ tin cậy cao để tạo ra các huyền phù nano CNT ổn định trong polyme.

Phân tán CNT hiệu quả và ổn định trong polyme nhờ xử lý siêu âm

Ống nano carbon (CNT) thường được phân tán trong dầu silicon cho nhiều ứng dụng nhờ các tính chất độc đáo của chúng. Việc phân tán CNT trong dầu silicon có thể cải thiện các tính chất cơ học, nhiệt và điện của vật liệu thu được. Một ứng dụng như vậy là chế tạo polyme pha CNT để làm mực dẫn điện có thể in 3D, ví dụ như phục vụ chế tạo bồi đắp trên nền tảng sinh học để tạo ra cảm biến xúc giác đeo được, giàn giáo tái tạo mô dành riêng cho từng bệnh nhân và điện cực ECG, EEG mềm dẻo.
Ngoài ra, CNT phân tán trong dầu silicon có thể được sử dụng làm mực dẫn điện trong các thiết bị điện tử, chẳng hạn như màn hình mềm dẻo và cảm biến. CNT đóng vai trò là các đường dẫn điện, cho phép dòng điện đi qua.

Phân tán ống nano carbon (CNTs) trong polyme là một ứng dụng điển hình của các đầu dò siêu âm như UIP1000hdT. Thiết bị phân tán siêu âm bảo đảm CNTs phân bố đồng đều trong dung môi và polyme, ví dụ để chế tạo mực in 3D.

Các thiết bị siêu âm hiệu suất cao là những hệ thống trộn trên dòng chảy đáng tin cậy và có hiệu quả rất cao để sản xuất các hệ phân tán nano, ví dụ như mực nano dẫn điện có thể in 3D dùng trong sản xuất bồi đắp.

Hệ thống siêu âm công suất cao công nghiệp để phân tán trên dòng trong công nghiệp: Các thiết bị siêu âm hiệu năng cao là những hệ thống trộn trên dòng đáng tin cậy và có hiệu suất cao để sản xuất các hệ phân tán nano, chẳng hạn như CNT trong polyme.

Ưu điểm của việc phân tán CNT/polyme bằng siêu âm

Xử lý siêu âm là kỹ thuật phân tán rất hiệu quả, mang lại nhiều lợi ích. Những ưu điểm của việc phân tán ống nano carbon (CNT) trong polyme bằng siêu âm bao gồm:

Cải thiện sự phân tán: Năng lượng siêu âm có thể phá vỡ hiệu quả các khối kết tụ CNT và thúc đẩy sự phân tán đồng đều của chúng trong polyme. Nhờ đó, thu được hỗn hợp đồng nhất với các tính chất cơ học, độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt được cải thiện.

Kiểm soát chính xác: Năng lượng siêu âm cho phép kiểm soát tốt hơn quá trình phân tán, chẳng hạn như mức độ phân tán và kích thước CNT. Điều này có thể giúp đạt được các tính chất mong muốn của vật liệu nanocompozit thu được.

Giảm thời gian xử lý: Phân tán bằng siêu âm có thể giảm đáng kể thời gian xử lý so với các phương pháp phân tán khác, chẳng hạn như khuấy từ hoặc xử lý siêu âm không gia nhiệt. Điều này có thể cải thiện hiệu suất và khả năng mở rộng quy mô của quy trình.

Tính đa dụng: Các thiết bị phân tán siêu âm có thể xử lý mọi loại hạt nano, bao gồm hạt nano hình cầu (ví dụ: nano silica), ống nano (SWNT, MWNT), tấm nano như graphene hoặc borphene, vật liệu nano được chức năng hóa cũng như hạt nano lõi–vỏ. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher có thể xử lý hàm lượng chất rắn cao và tương thích với mọi dung môi và chất lỏng.

Hiệu quả về chi phí: Thiết bị phân tán siêu âm là thiết bị trộn có chi phí tương đối thấp so với máy nghiền và các kỹ thuật phân tán khác. Ngoài ra, các thiết bị xử lý siêu âm rất bền chắc, cần rất ít bảo trì và có hiệu suất sử dụng năng lượng rất cao.

Xử lý theo mẻ và trên dòng: Quá trình phân tán bằng siêu âm có thể được thực hiện ở chế độ theo mẻ hoặc dòng chảy liên tục.

Vận hành dễ dàng: Đầu dò siêu âm có cách vận hành đơn giản và an toàn. Các thiết bị siêu âm kỹ thuật số Hielscher có thể được lập trình và điều khiển từ xa. Việc ghi dữ liệu tự động giúp duy trì các tiêu chuẩn chất lượng.

Khả năng mở rộng quy mô tuyến tính: Các quy trình phân tán bằng siêu âm có thể được mở rộng hoàn toàn theo tỷ lệ tuyến tính đến bất kỳ quy mô nào, giúp xử lý siêu âm trở thành một phương pháp chế tạo không chỉ có hiệu suất cao mà còn khả thi cho sản xuất công nghiệp.

Thân thiện với môi trường: Phân tán bằng siêu âm là phương pháp xanh và thân thiện với môi trường, cho phép tránh hoặc giảm sử dụng các dung môi hay hóa chất có hại, nhờ đó trở thành một lựa chọn an toàn hơn và bền vững cho các ứng dụng công nghiệp.

Hệ thống siêu âm công nghiệp cho các quá trình hòa tan trên dòng chảy.

Hệ thống siêu âm công nghiệp cho các quy trình hòa tan trên dòng, ví dụ như phân tán đồng đều ống nano carbon vào các công thức polyme.

Trong video này, chúng tôi giới thiệu một hệ thống siêu âm công suất 2 kilowatt vận hành trên dòng chảy liên tục trong tủ có thể thổi khí bảo vệ. Hielscher cung cấp thiết bị siêu âm cho hầu hết các ngành công nghiệp, như hóa chất, dược phẩm, mỹ phẩm, các quy trình hóa dầu cũng như các quy trình chiết xuất bằng dung môi. Tủ bằng thép không gỉ có thể thổi khí bảo vệ này được thiết kế để vận hành trong khu vực nguy hiểm. Để đáp ứng mục đích này, khách hàng có thể thổi nitơ hoặc không khí sạch vào tủ kín nhằm ngăn khí hoặc hơi dễ cháy xâm nhập vào tủ.

Quy trình tổng quát để sản xuất vật liệu compozit CNT/PDMS bằng siêu âm

Siêu âm được sử dụng để phân tán nhiều loại vật liệu có kích thước nano trong polyme. Một ứng dụng cụ thể và thường gặp là phân tán ống nano cacbon (CNT) trong dimethylpolysiloxane (PDMS) bằng siêu âm dạng đầu dò. Để phân tán CNT vào nền PDMS, siêu âm công suất cao và các hiệu ứng xâm thực âm phát sinh được sử dụng để gỡ rối các ống nano và trộn đều chúng thành huyền phù nano. Xử lý siêu âm dạng đầu dò là một phương pháp mạnh mẽ để phân tán CNT nhờ khả năng tạo ra lực xâm thực mạnh, có thể phá vỡ và phân tán hiệu quả các CNT kết tụ.
Phân tán bằng siêu âm là một bước xử lý đơn giản, không đòi hỏi biện pháp tiền xử lý hoặc hậu xử lý đặc thù nào. Bản thân thiết bị siêu âm an toàn và dễ vận hành.
Quá trình phân tán bằng siêu âm dạng đầu dò thường bao gồm các bước sau:

Chuẩn bị hỗn hợp CNT-PDMS: Một lượng CNT xác định trước được thêm vào nền PDMS và được trộn sơ bộ bằng máy khuấy cơ học. Điều đáng chú ý là việc phân tán sơ bộ CNT trong dung môi có thể làm tăng độ dẫn điện. Kết quả tốt nhất đạt được khi sử dụng tetrahydrofuran (THF), acetone hoặc chloroform (được sắp xếp theo thứ tự kết quả từ tốt nhất).
Xử lý siêu âm dạng đầu dò: Hỗn hợp được xử lý siêu âm dạng đầu dò bằng đầu dò siêu âm cường độ cao, tạo ra sóng siêu âm với tần số thường khoảng 20 kHz. Tùy thuộc vào thể tích và công thức phối trộn, quá trình xử lý siêu âm thường được thực hiện trong vài phút để đảm bảo CNT được phân tán hoàn toàn.
Theo dõi quá trình phân tán: Quá trình phân tán CNT được theo dõi bằng các kỹ thuật như kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hoặc quang phổ UV-Vis. Các kỹ thuật này có thể được sử dụng để quan sát sự phân bố của CNT trong nền PDMS và đảm bảo CNT được phân tán đồng đều.

Tóm lại, xử lý siêu âm dạng đầu dò là một phương pháp mạnh mẽ để phân tán CNT trong các polyme như PDMS nhờ khả năng tạo ra lực xâm thực mạnh, có thể phá vỡ và phân tán hiệu quả các CNT kết tụ.

Máy đồng hóa siêu âm cho các ứng dụng phân tán và trộn

Máy đồng hóa siêu âm UIP1000hdT

Các nghiên cứu điển hình về chế tạo vật liệu composite CNT/polyme bằng siêu âm

Việc phân tán ống nano và các vật liệu nano khác trên cơ sở cacbon bằng siêu âm dạng đầu dò đã được nghiên cứu rộng rãi và sau đó được triển khai trong sản xuất công nghiệp. Dưới đây, chúng tôi trình bày một số nghiên cứu chứng minh hiệu quả vượt trội của việc phân tán ống nano bằng siêu âm.

Phân tán CNT trong PDMS bằng siêu âm để chế tạo cảm biến đeo được

Del Bosque và cộng sự (2022) đã so sánh hiệu quả phân tán CNT của phương pháp nghiền ba trục và xử lý siêu âm. Phân tích quy trình phân tán hạt nano vào nền polyme cho thấy kỹ thuật siêu âm mang lại độ nhạy điện cao hơn so với nghiền ba trục nhờ sự phân bố CNT đồng đều hơn do lực xâm thực tạo ra. Qua thử nghiệm với các hàm lượng CNT khác nhau, ngưỡng thấm dẫn của hệ CNT-PDMS, tức là hàm lượng CNT tới hạn mà tại đó hệ bắt đầu dẫn điện, được xác định là 0,4 wt% CNT. Các ống nano cacbon đa vách (MWCNT) được phân tán bằng siêu âm sử dụng máy siêu âm Hielscher UP400ST (xem hình bên trái) ở chu kỳ xung 0,5 và biên độ 50 % trong 2h. Các tác động của quá trình phân tán bằng siêu âm theo thời gian xử lý siêu âm được thể hiện trong hình bên dưới.
Dựa trên phân tích này, điều kiện tối ưu để chế tạo cảm biến đeo được đã được lựa chọn là hàm lượng CNT 0,4 wt.% với quy trình xử lý siêu âm. Về mặt này, phân tích đáp ứng điện dưới các chu kỳ tải liên tiếp cho thấy các cảm biến được phát triển có độ bền vững cao, không xuất hiện bất kỳ hư hại nào ở mức biến dạng 2%, 5% và 10%, giúp các cảm biến này đáng tin cậy trong việc theo dõi biến dạng ở mức trung bình.

Phân tán ống nano carbon bằng siêu âm có hiệu quả rất cao trong việc phân bố đồng đều các ống nano trong các nền polyme như dimethylpolysiloxane (PDMS)

Phân tán MWCNT trong PDMS bằng máy siêu âm UP400St với các thời gian xử lý siêu âm khác nhau.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©del Bosque và cộng sự, 2022)

Thiết bị phân tán siêu âm hiệu suất cao cho vật liệu nanocompozit CNT/polyme

Hielscher Ultrasonics sản xuất các đầu dò siêu âm công suất cao cho các ứng dụng phân tán đòi hỏi khắt khe trong phòng thí nghiệm, ở quy mô thiết bị để bàn và trong công nghiệp. Các thiết bị phân tán của Hielscher Ultrasonics giúp đồng hóa và phân tán vật liệu nano trong dung môi, polyme và vật liệu compozit một cách hiệu quả và chính xác.
Với công nghệ siêu âm tiên tiến, các thiết bị phân tán này mang đến giải pháp nhanh chóng và dễ dàng để đạt được phân bố kích thước hạt đồng đều, hệ phân tán ổn định và/hoặc chức năng hóa hạt nano.
Bằng cách giảm thời gian xử lý và giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng, các thiết bị phân tán siêu âm dạng đầu dò có thể cải thiện năng suất và giảm chi phí vận hành cho doanh nghiệp trong nhiều ngành công nghiệp.
Các thiết bị siêu âm Hielscher cũng có thể được tùy chỉnh để đáp ứng các yêu cầu cụ thể, với nhiều lựa chọn về kích thước đầu dò, bộ khuếch đại biên độ, mức công suất và buồng dòng chảy, giúp thiết bị linh hoạt và thích ứng với nhiều công thức nano và thể tích khác nhau.
Nhìn chung, các thiết bị phân tán siêu âm dạng đầu dò là khoản đầu tư tuyệt vời cho các phòng thí nghiệm và ngành công nghiệp muốn tối ưu hóa quy trình xử lý vật liệu nano và đạt được kết quả nhất quán, đáng tin cậy.

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher hoạt động đáng tin cậy trong các điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi khắt khe.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Thể tích mẻ	Lưu lượng	Thiết bị được khuyến nghị
0,5 đến 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 đến 500mL	10 đến 200mL/min	UP100H
10 đến 2000mL	20 đến 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 đến 20L	0,2 đến 4L/min	UIP2000hdT
10 đến 100L	2 đến 10L/min	UIP4000hdT
15 đến 150L	3 đến 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 đến 100L/min	UIP16000
n.a.	lớn hơn	cụm gồm UIP16000

Liên hệ với chúng tôi! / Đặt câu hỏi cho chúng tôi!

Phân tán ống nano carbon bằng siêu âm: Máy siêu âm Hielscher UP400S (400W) phân tán và gỡ rối các CNT thành từng ống nano riêng lẻ một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Các máy đồng hóa siêu âm có lực cắt cao được sử dụng trong xử lý ở quy mô phòng thí nghiệm, thiết bị để bàn, thí điểm và công nghiệp.

Hielscher Ultrasonics sản xuất các máy đồng hóa siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ hóa và chiết xuất ở quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và công nghiệp.

Chủ đề liên quan

Thiết bị phản ứng trộn công nghiệp để tạo các hệ phân tán nano bằng đầu dò siêu âm công suất cao.

Thiết bị phản ứng siêu âm theo mẻ dùng cho xử lý công nghiệp, ví dụ như đưa CNT và các chất độn nano khác vào polyme để tạo mực có thể in 3D dùng trong sản xuất bồi đắp.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Kim, J., Hwang, JY., Hwang, H. et al. (2018): Simple and cost-effective method of highly conductive and elastic carbon nanotube/polydimethylsiloxane composite for wearable electronics. Scientific Reports 8, 1375 (2018).
Lima, Márcio; Andrade, Mônica; Skákalová, Viera; Bergmann, Carlos; Roth, Siegmar (2007): Dynamic percolation of carbon nanotubes in liquid medium. Journal of Materials Chemistry 17, 2007. 4846-4853.
Shar, A., Glass, P., Park, S. H., Joung, D. (2023): 3D Printable One-Part Carbon Nanotube-Elastomer Ink for Health Monitoring Applications. Advanced Functional Materials 33, 2023.

Công nghệ siêu âm hiệu suất cao! Dải sản phẩm của Hielscher bao quát đầy đủ từ thiết bị siêu âm nhỏ gọn cho phòng thí nghiệm, qua các thiết bị để bàn, đến các hệ thống siêu âm hoàn toàn ở quy mô công nghiệp.

Hielscher Ultrasonics sản xuất các máy đồng hóa siêu âm hiệu suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.