Как да диспергирате едностенни въглеродни нанотръби поотделно
Едностенните въглеродни нанотръби (SWNT или SWCNT) имат уникални характеристики, но за да ги изразят, те трябва да бъдат индивидуално диспергирани. За да се използват пълноценно изключителните характеристики на едностенните въглеродни нанотръби, тръбите трябва да бъдат разплетени най-пълно. SWNT, както и други наночастици, показват много високи сили на привличане, така че е необходима мощна и ефективна техника за надеждна деагломерация и дисперсия. Докато обичайните техники за смесване не осигуряват интензивността, необходима за разплитане на SWNT, без да ги повредят, доказано е, че ултразвукът с висока мощност разплита и разпръсква SWCNT. Ултразвуково генерираните кавитационни сили на срязване са достатъчно мощни, за да преодолеят силите на свързване, докато интензитетът на ултразвука може да се регулира точно, за да се избегне увреждането на SWCNT.
Проблем:
Едностенните въглеродни нанотръби (SWCNT) се различават от многостенните въглеродни нанотръби (MWNT / MWCNT) по своите електрически свойства. Честотната лента на SWCNT може да варира от нула до 2 eV и тяхната електрическа проводимост се отличава с метално или полупроводниково поведение. Тъй като едностенните въглеродни нанотръби са силно сплотени, една от основните пречки при обработката на SWCNT е присъщата неразтворимост на тръбите в органични разтворители или вода. За да се използва пълният потенциал на SWCNT, е необходим прост, надежден и мащабируем процес на деагломерация на тръбите. По-специално, функционализацията на страничните стени или отворените краища на CNT за създаване на подходящ интерфейс между SWCNTs и органичния разтворител води само до частично ексфолиране на SWCNT. Поради това SWCNT са разпръснати предимно като снопове, а не като отделни деагломерирани въжета. Ако условията по време на дисперсия са твърде сурови, SWCNT ще бъдат съкратени до дължини между 80 и 200 nm. За по-голямата част от практическите приложения, т.е. за полупроводникови или подсилващи SWCNT, тази дължина е твърде малка.

UIP2000hdT, мощен ултразвуков уред с мощност 2 kW за разпръскване на SWCNT.
Решение:
Ултразвукът е много ефективен метод за диспергиране и деагломерация на въглеродни нанотръби, тъй като ултразвуковите вълни на ултразвук с висока интензивност генерират кавитация в течности. Звуковите вълни, разпространявани в течната среда, водят до редуващи се цикли на високо налягане (компресия) и ниско налягане (разреждане), със скорости, зависещи от честотата. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висока интензивност създават малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Когато мехурчетата достигнат обем, при който вече не могат да абсорбират енергия, те се срутват силно по време на цикъл на високо налягане. Това явление се нарича кавитация. По време на имплозията се достигат много високи температури (около 5000 К) и налягания (около 2000 атм). Имплозията на кавитационния мехур също води до течни струи със скорост до 280 m/s. Тези течни струйни потоци в резултат на ултразвукова кавитация, преодоляват силите на свързване между въглеродните нанотръби и следователно нанотръбите се деагломерират. Лекото, контролирано ултразвуково лечение е подходящ метод за създаване на стабилизирани с повърхностноактивни вещества суспензии от диспергирани SWCNT с голяма дължина. За контролирано производство на SWCNT, ултразвуковите процесори на Hielscher позволяват работа с широк спектър от набори от ултразвукови параметри. Ултразвуковата амплитуда, налягането на течността и съставът на течността могат да варират съответно в зависимост от конкретния материал и процес. Това предлага променливи възможности за корекции, като например
- амплитуди на сонотроде до 170 микрона
- налягане на течността до 10 бара
- дебит на течността до 15 л/мин (в зависимост от процеса)
- температури на течността до 80 °C (други температури при поискване)
- вискозитет на материала до 100 000 cp
Ултразвуково оборудване
Hielscher предлага висока производителност ултразвукови процесори за ултразвука на всеки том. Ултразвуковите устройства от 50 вата до 16 000 вата, които могат да се поставят в клъстери, позволяват намирането на подходящия ултразвук за всяко приложение, както в лабораторията, така и в индустрията. За сложната дисперсия на нанотръбите се препоръчва непрекъсната ултразвук. С помощта на поточните клетки на Hielscher става възможно да се диспергират CNT в течности с повишен вискозитет като полимери, стопилки с висок вискозитет и термопласти.
Свържете се с нас! / Попитайте ни!

Ултразвуково диспергиране на нанотръби (UP400St)

Диспергиране на CNT с лабораторното устройство на Hielscher UP50H

Високоефективна ултразвук! Продуктовата гама на Hielscher обхваща пълния спектър от компактен лабораторен ултразвуков апарат до настолни ултразвукови системи до напълно индустриални ултразвукови системи.
Литература / Препратки
- Cheng, Qiaohuan; Debnath, Sourabhi; Gregan, Elizabeth; Byrne, Hugh J. (2010): Ultrasound-Assisted SWNTs Dispersion: Effects of Sonication Parameters and Solvent Properties. The Journal of Physical Chemistry C, 114(19), 2010. 8821–8827.
- Tenent, Robert; Barnes, Teresa; Bergeson, Jeremy; Ferguson, Andrew; To, Bobby; Gedvilas, Lynn; Heben, Michael; Blackburn, Jeffrey (2009): Ultrasmooth, Large‐Area, High‐Uniformity, Conductive Transparent Single‐Walled‐Carbon‐Nanotube Films for Photovoltaics Produced by Ultrasonic Spraying. Advanced Materials. 21. 3210 – 3216.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
Факти, които си струва да знаете
Ултразвуковите устройства често се наричат сонден сонникатор, ултразвуков хомогенизатор, звуков лизьор, ултразвуков разрушител, ултразвукова мелница, соно-руптор, сонификатор, звуков дисмембранор, клетъчен разрушител, ултразвуков диспергатор или разтворител. Различните термини са резултат от различните приложения, които могат да бъдат изпълнени чрез ултразвук.