Dispersión ultrasónica de nanotubos de carbono (CNT)
Los nanotubos de carbono son resistentes y flexibles, pero presentan una gran cohesión entre sí. Son difíciles de dispersar en líquidos como agua, etanol, aceite, polímeros o resina epoxi. Los ultrasonidos son un método eficaz para obtener nanotubos de carbono separados –dispersos individualmente–.
Los nanotubos de carbono (CNT) se utilizan en adhesivos, recubrimientos y polímeros, y como cargas eléctricamente conductoras en plásticos para disipar las cargas estáticas en equipos eléctricos y en paneles de carrocería de automóviles que pueden pintarse electrostáticamente. El uso de nanotubos permite aumentar la resistencia de los polímeros a las temperaturas, los productos químicos agresivos, los entornos corrosivos, las presiones extremas y la abrasión. Existen dos categorías de nanotubos de carbono: nanotubos de pared simple (SWNT) y nanotubos de paredes múltiples (MWNT).
Homogeneizador ultrasónico industrial UIP1500hdT para dispersar nanotubos de carbono (CNT) y otros nanomateriales.
Los nanotubos de carbono suelen estar disponibles como material seco, por ejemplo, de empresas como SES Research o CNT Co., Ltd. Para aprovechar al máximo el potencial de los nanotubos, se necesita un proceso de desaglomeración sencillo, fiable y escalable. Para líquidos de hasta 100.000 cP, los ultrasonidos son una tecnología muy eficaz para dispersar nanotubos en agua, aceite o polímeros a concentraciones bajas o altas. Los chorros de líquido producidos por la cavitación ultrasónica superan las fuerzas de unión entre los nanotubos y los separan. Gracias a las fuerzas de cizallamiento y las microturbulencias generadas por los ultrasonidos, estos también pueden facilitar el recubrimiento superficial y la reacción química de los nanotubos con otros materiales.
Por lo general, una dispersión inicial poco homogénea de nanotubos se premezcla primero con un agitador convencional y después se homogeneiza en el reactor ultrasónico de celda de flujo. El vídeo siguiente muestra un ensayo de laboratorio (sonicación por lotes con un UP400S) en el que se dispersan nanotubos de carbono de paredes múltiples en agua a baja concentración. Debido a la naturaleza química del carbono, la dispersión de los nanotubos en agua resulta bastante difícil. Como se muestra en el vídeo, es fácil demostrar que la sonicación permite dispersar eficazmente los nanotubos.
Comparación de distintas nanocargas dispersadas en endurecedor mediante sonicación con sonda: (a) 0,5 wt% de nanofibras de carbono (CNF); (b) 0,5 wt% de CNToxid; (c) 0,5 wt% de nanotubos de carbono (CNT); (d) 0,5 wt% de CNT parcialmente dispersos.
Estudio e imagen: ©Zanghellini et al., 2021
Dispersión de SWNT individuales de gran longitud
Un problema importante en el procesamiento y la manipulación de los SWNT es su insolubilidad intrínseca en los disolventes orgánicos habituales y en agua. La funcionalización de la pared lateral o de los extremos abiertos de los nanotubos para crear una interfaz adecuada entre los SWNT y el disolvente suele dar lugar únicamente a una exfoliación parcial de los haces de SWNT.
Como resultado, los SWNT suelen dispersarse como haces, en lugar de como elementos individuales completamente aislados. Cuando se emplean condiciones demasiado agresivas durante la dispersión, los SWNT se acortan hasta longitudes de entre 80 y 200 nm. Aunque esto resulta útil para ciertos ensayos, esta longitud es demasiado pequeña para la mayoría de las aplicaciones prácticas, como el uso de SWNT como semiconductores o refuerzos. Un tratamiento ultrasónico suave y controlado (por ejemplo, con un UP200Ht con sonotrodo de 40 mm) es un procedimiento eficaz para preparar dispersiones acuosas de SWNT individuales de gran longitud. Las secuencias de sonicación suave minimizan el acortamiento y permiten preservar al máximo las propiedades estructurales y electrónicas.
Purificación de SWNT mediante sonicación asistida por polímeros
Es difícil estudiar la modificación química de los SWNT a escala molecular, porque resulta difícil obtener SWNT puros. Los SWNT tal como se obtienen tras su crecimiento contienen muchas impurezas, como partículas metálicas y carbono amorfo. La sonicación de SWNT en una solución de poli(metacrilato de metilo) PMMA en monoclorobenceno (MCB), seguida de filtración, es una forma eficaz de purificar los SWNT. Este método de purificación asistida por polímeros permite eliminar eficazmente las impurezas de los SWNT tal como se obtienen tras su crecimiento. (Yudasaka et al.) El control preciso de la amplitud de sonicación permite limitar los daños en los SWNT.
Hielscher ofrece una amplia gama de equipos ultrasónicos y accesorios para dispersar nanotubos de forma eficiente.
- Equipos compactos de laboratorio de hasta 400 vatios de potencia ultrasónica para la dispersión en volúmenes pequeños de hasta 2 litros
- UIP500hdT, UIP1000hdT y UIP1500hdT son procesadores ultrasónicos capaces de procesar volúmenes mayores.
- Los sistemas ultrasónicos de 2 kW (UIP2000hdT) y 4 kW (UIP4000hdT) pueden utilizarse para dispersar nanotubos de carbono a escala de producción. El UIP10000 (10 kilovatios) y el UIP16000 (16 kilovatios) pueden utilizarse en conjuntos de varias unidades individuales para el procesamiento de nanotubos de carbono a gran escala.
¡Contacte con nosotros! / ¡Consúltenos!
Bibliografía
- Koshio, A., Yudasaka, M., Zhang, M., Iijima, S. (2001): A Simple Way to Chemically React Single-Wall Crabon Nanotubes with Organic Materials Using Ultrasonication; in Nano Letters, Vol. 1, No. 7, 2001, p. 361-363.
- Yudasaka, M., Zhang, M., Jabs, C. et al. (2000): Effect of an organic polymer in purification and cutting of single-wall carbon nanotubes. Appl Phys A 71, 449–451 (2000).
- Paredes, J. I., Burghard, M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length, in: Langmuir, Vol. 20, No. 12, 2004, 5149-5152, American Chemical Society.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento, desde equipos de laboratorio hasta equipos de tamaño industrial.