Как да диспергираме едностенни въглеродни нанотръби поотделно

Едностенните въглеродни нанотръби (SWNTs или SWCNTs) имат уникални характеристики, но за да ги проявят, трябва да бъдат диспергирани поотделно. За да се използват пълноценно изключителните характеристики на едностенните въглеродни нанотръби, те трябва да бъдат разплетени възможно най-пълно. Подобно на други наночастици, SWNTs проявяват много големи сили на привличане, така че за надеждна деагломерация и диспергиране е необходима мощна и ефективна техника. Докато обичайните техники за смесване не осигуряват интензитета, необходим за разплитане на SWNTs, без да ги повредят, доказано е, че ултразвукът с висока мощност разплита и диспергира SWCNTs. Кавитационните сили на срязване, генерирани чрез ултразвук, са достатъчно мощни, за да преодолеят силите на свързване, а интензитетът на ултразвука може да се регулира точно, за да се избегне повреждането на SWCNTs.

Проблем:

Едностенните въглеродни нанотръби (SWCNTs) се различават от многостенните въглеродни нанотръби (MWNTs/ MWCNTs) по електрическите си свойства. Ширината на забранената зона на SWCNTs може да варира от нула до 2 eV, а електропроводимостта им има метален или полупроводников характер. Тъй като едностенните въглеродни нанотръби имат силно изразена кохезия, едно от основните препятствия при обработката на SWCNTs е присъщата неразтворимост на тръбите в органични разтворители или вода. За да се използва пълният потенциал на SWCNTs, е необходим прост, надежден и мащабируем процес за деагломерация на тръбите. По-специално, функционализирането на страничните стени или отворените краища на CNTs с цел създаване на подходяща междуфазна граница между SWCNTs и органичния разтворител води само до частична ексфолиация на SWCNTs. Поради това SWCNTs се диспергират предимно като снопове, а не като отделни деагломерирани нишки. Ако условията при диспергирането са твърде агресивни, SWCNTs ще бъдат скъсени до дължини между 80 и 200nm. За повечето практически приложения, т.е. за полупроводникови или армиращи SWCNTs, тази дължина е твърде малка.

Решение:

Ултразвуковата обработка е много ефективен метод за диспергиране и деагломерация на въглеродни нанотръби, тъй като ултразвуковите вълни с висок интензитет генерират кавитация в течности. Звуковите вълни, разпространяващи се в течната среда, водят до редуващи се цикли на високо налягане (сгъстяване) и ниско налягане (разреждане), чиято скорост на редуване зависи от честотата. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висок интензитет създават малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Когато мехурчетата достигнат обем, при който вече не могат да поглъщат енергия, те се свиват рязко по време на цикъл на високо налягане. Това явление се нарича кавитация. При имплозията локално се достигат много високи температури (прибл. 5 000K) и налягания (прибл. 2 000atm). Имплозията на кавитационното мехурче води и до образуване на течни струи със скорост до 280m/s. Тези течни струи, възникващи вследствие на ултразвукова кавитация, преодоляват силите на свързване между въглеродните нанотръби и така нанотръбите се деагломерират. Щадящата, контролирана ултразвукова обработка е подходящ метод за създаване на суспензии от диспергирани SWCNTs с голяма дължина, стабилизирани с повърхностноактивни вещества. За контролираното производство на SWCNTs ултразвуковите процесори на Hielscher позволяват работа с широк диапазон от набори от ултразвукови параметри. Ултразвуковата амплитуда, налягането и съставът на течността могат да се променят според конкретния материал и процес. Това предлага разнообразни възможности за регулиране, като например

• амплитуди на сонотрода до 170 микрона
• налягания на течността до 10 бара
• дебити на течността до 15L/min (в зависимост от процеса)
• температури на течността до 80 degC (други температури при поискване)
• вискозитет на материала до 100 000cp

 

Освен това ултразвуковата обработка като метод за пречистване с помощта на полимер позволява ефективно отстраняване на примеси от SWCNTs във вида им непосредствено след растежа. Трудно е да се изследва химичното модифициране на SWCNTs на молекулно ниво, защото е трудно да се получат чисти SWNTs. SWCNTs във вида им непосредствено след растежа съдържат много примеси, като метални частици и аморфни форми на въглерода. Ултразвуковата обработка на SWCNTs в разтвор на поли(метилметакрилат) PMMA в монохлорбензен (MCB), последвана от филтриране, е ефективен начин за пречистване на SWCNTs. Този метод за пречистване с помощта на полимер позволява ефективно отстраняване на примеси от SWCNTs във вида им непосредствено след растежа. Точното контролиране на амплитудата на ултразвуковата обработка позволява да се избегне или ограничи повреждането на SWCNTs.

Ултразвуково оборудване

Hielscher предлага високопроизводителни ултразвукови процесори за ултразвукова обработка на всякакви обеми. Ултразвуковите устройства с мощност от 50 вата до 16 000 вата, които могат да се обединяват в групи, позволяват да се намери подходящото ултразвуково устройство за всяко приложение както в лабораторията, така и в промишлеността. За прецизното диспергиране на нанотръби се препоръчва непрекъсната ултразвукова обработка. Използването на проточните клетки на Hielscher позволява диспергиране на CNTs в течности с повишен вискозитет, като полимери, стопилки с висок вискозитет и термопласти.

Щракнете тук, за да прочетете повече за диспергирането и модифицирането на нанотръби чрез ултразвук с висока мощност!