Nowoczesne materiały kompozytowe zawierające nanorurki węglowe do zastosowań w technologii grubowarstwowej

• Autorzy: Jakubowska M. , Biało D. , Słoma M. , Młożniak A.

Warianty tytułu

EN

Modern composite materials containing carbon nanotubes for thick film technology appliance

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Głównym celem pracy było wytworzenie grupy materiałów kompozytowych złożonych z żywic polimerowych i nanorurek węglowych jako fazy aktywnej do zastosowania w technologii grubowarstwowej. Zastosowano wielowarstwowe nanorurki węglowe o średnicy 40+50 nm i długości i 3+5 žm, otrzymane w procesie rozpadu węglowodorów. Do wytworzenia warstw testowych użyto szeregu żywic polimerowych. Najlepsze właściwości elektryczne i optyczne posiadały warstwy wytworzone na bazie żywicy PMMA-PBMA i żywicy fotoutwardzalnej NN/F-121(907)/2. Ze względu na użyty materiał nanorurek węglowych proces technologiczny wytwarzania kompozycji grubowarstwowej musiał zostać zmodyfikowany. Mieszanie materiałów o rozmiarach cząsteczek w skali nanometrów niesie za sobą szereg trudności związanych z ich rozmiarami oraz siłami oddziaływania międzycząsteczkowego. Dlatego też zaproponowano metody mieszania zawiesin nanorurek za pomocą ultradźwięków. Kompozycje nanorurkowo-polimerowe mieszano w płuczce ultradźwiękowej oraz z użyciem sonotrody ultradźwiękowej. Uzyskano szereg kompozycji o właściwościach elektrycznych umożliwiających ich zastosowanie w mikroukładach elektronicznych. W zależności od zawartości nanorurek węglowych przy zachowaniu jednorodności ich wymieszania możliwe było wykonanie transparentnych optycznie warstw elektroprzewodzących. Zaobserwowano liniową zależność pomiędzy zawartością nanorurek w użytych kompozycjach a transparentnością optyczną otrzymanych warstw. Otrzymane warstwy transparentne optycznie o zawartości nanorurek poniżej 1% w kompozycji wykazywały rezystancję powierzchniową na poziomie 10[sup5] +10[sup4] [omega]. Warstwy wytworzone z kompozycji zawierających powyżej 1% wagowo nanorurek były nieprzezroczyste optycznie, z rezystancją powierzchniową na poziomie 50 [omega] dla zawartości 5% nanorurek. Stwierdzono, że mimo bardzo dobrej jednorodności kompozycji mieszanych przy zastosowaniu sonotrody, następuje niszczenie struktury nanorurek. Otrzymane kompozycje zawierały nanorurki o długości poniżej 1 žm, co miało wpływ na znaczne zwiększenie rezystancji uzyskanych warstw. Otrzymane materiały będą mogły posłużyć do wytworzenia elektroluminescencyjnych struktur grubowarstwowych i czujników biomedycznych.

EN

Since their frst observation more than a decade ago by Iijima, carbon nanotubes (CNT) have been the focus of considerable research. Carbon nanotubes (CNTs) are allotropes of carbon. This results in a nanostructure with diameter in range of nanometers, and length from hundreds of nanometers to centimeters. Numerous investigators have reported remarkable physical and mechanical properties for this new form of carbon, very useful in many applications in nanotechnology, electronics, biology and other fields of materials science. This paper focused on thick film technology of polymer-nanotube composites. Main objective was fabrication of novel composites group of polymers filled with carbon nanotubes, for thick film technology application in microelectronics. Material used in this investigations were multiwalled carbon nanotubes characterized to be 40+50 nm in diameter and 3+5 žm in length. Carbon material was used in "as obtained" form without purification or any further modification. From the range of organic resins two were selected for composite fabrication: PMMA-PBMA copolymer as 34% solution in butyl acetate carbide solvent, and UV curable resin NN/F-121(907)/2 as a mixture of carboxylic and ester groups polymer with Ebecryl 83 monomers and oligomers and Irgacure UV fotoiniciator. For PMMA-PBMA compositions traditional process of thick film composition fabrication was used, with minor modification. Suspension of CNT in solvent was stirred in ultrasonic bath for a half an hour, and after that resin was added and further stirred for another half an hour. After that, regular grinding in mortar was used followed by three-roll-milling process for further homogenization of CNT material in polymer resin. Similar process was used for UV curable resin composition preparation, except that nanotubes were directly added to diluted NN/F-121(907)/2 mixture. This way obtained compositions were not completely homogeneous with visible CNT agglomerates. In both cases compositions were screen printed onto glass substrate. PMMA-PBMA compositions were dried in 120° C for one hour to eveporate solvent and bind polymer layer. In case of UV curable resin samples were first dried for one hour in 90° C, and after that compositions were cured for 10 second by UV radiation with wavelength from 320+400 nm spectrum. Stripes 30 žm thick, 1 mm wide and 25 mm long, with whole area of 25 squares were screen printed for electrical tests. Rectangles with dimensions 25x35 mm were used for light transparency measurements. To achieve more homogeneous distribution of carbon nanotubes in polymer, the whole thick film composition fabrication process was modified to suit use of such nanoscale material. Stirring of materials with particle sizes in range of nanometers is very complicated process because of the scale of particles and bonding forces between them. Therefore new stirring mechanisms were investigated including high energy sonotrode stirring and "in-situ" polymerization with NN/F-121(907)/2 resin. Unfortunately material obtained from high energy sonotrode stirring process, while characterized homogeneous in whole volume, presented higher resistance than samples prepared without sonotrode stirring. This rather unexpected result was fully understandable after SEM observations. CNT material was damaged by high energy process and cut to shorter structures, which resulted in fewer conduction paths created by nanotubes. Obtained materials with sufficient electrical and optical parameters will be used for further investigations.

Słowa kluczowe

PL

nanorurka węglowa; technologia grubowarstwowa; warstwy nanoszone sitodrukiem; przewodzące warstwy transparentne

EN

carbon nanotube; thick film technology; screen printed layers; conductive transparent layers

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2008
• Tom: R. 8, nr 2
• Strony: 158--163
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., zdj.

Twórcy

autor

Jakubowska M.

autor

Biało D.

autor

Słoma M.

autor

Młożniak A.

• Politechnika Warszawska, Instytut Inżynierii Precyzyjnej i Biomedycznej, Wydział Mechatroniki, ul. św. A. Boboli 8, 02-525 Warszawa,

Bibliografia

• [1] Iijima S., Helical microtubules of graphitic carbon, Nature 1991, 354, 56-58.
• [2] Zhu T., Zheng L.X., 0'Connell M.J., Doorn S.K., Ultralong single-wall carbon nanotubes, Nature Materials 2004, 3, 673-676.
• [3] Esawi A., Morsi K., Dispersion of carbon nanotubes (CNTs) in aluminum powder, Composites: Part A 38, 2007, 646-650.
• [4] Boccaccini A.R., Acevedo D.R., Brusatin G., Colombo P., Borosilicate glass matrix composites containing multi-wall carbon nanotubes, Journal of the European Ceramic Society 2005,25, 1515-1523.
• [5] Tsai T.Y., Tai N.H., Lin I.N., Characteristics of carbon nanotube electron field emission devices prepared by LTCC process, Diamond and Related Materials 2004, 13, 982-986.
• [6] Lee N.S., Chung D.S., Han I.T., Kang J.H., Application of carbon nanotubes to field emission displays, Diamond and Related Materials 2001, 10, 265-270.
• [7] Minett A.I., Carolan N., Leane D., Kennedy R., Wallace G.G., Decoration of carbon nanotubes with biological entities for electronic device applications, International Conference on Nanoscience and Nanotechnology ICONN 06, 2006, 3-7.
• [8] Parikh K., Cattanach K., Rao R., Suh D.S., Wu A., Manohar S.K., Flexible vapour sensors using single walled carbon nanotubes, Sensors and Actuators B 113, 2006, 55-63.
• [9] Kasifteker K, Ranjani S., Kousik S., Shoaxin L, Eric W., Applications of carbon nanotubes for cancer research, Nanobiotechnology, 2005, 1, 171-182.
• [10] Zidan R., Rao A.M., Doped Carbon Nanotubes for Hydrogen Storage, U.S. DOE Hydrogen Program Review, 2002.
• [11] Carreno-Morelli E., Yang J., Schaller R., Bonjour C, Carbon nanotube reinforced metal matrix composites, Proc. EURO PM 2003.
• [12] Zhong R., Cong H., Hou P., Fabrication of nano-Al based composites reinforced by single-walled carbon nanotubes, Carbon 2003, 851.
• [13] Saito R., Dresselhaus G., Dresselhaus M.S., Physical properties of carbon nanotubes, 2003, 17-29.
• [14] Bystrzejewski M., Pichler T., Ruemmeli M., Chemical functionalization of carbon nanotubes, Wiadomości Chemiczne 2006, 571-608.
• [15] Wang Z., Liu Q., Zhu H., Liu H., Chen Y. Yang M., Dispersing multi-walled carbon nanotubes with water-soluble block copolymers and their use as supports for metal nanoparticles, Carbon 2007, 45, 285-292.
• [16] Yang I, Wang Y., Dave R.N., Pfeffer R., Mixing of nanoparticles by rapid expansion of high-pressure suspensions, Advanced Powder Technology 2003, 14, 4, 471-493.
• [17] Słoma M., Jakubowska M., Młożniak A., Multiwalled carbon nanotubes deposition in thick film silver conductor, Proc. of SPIE Volume 6937, 2007.
• [18] Holmes P., Loasby R., Handbook of Thick Film Technology, Electrochemical Publications Ltd, 2005.