Ултразвуково диспергиране на въглеродни нанотръби (CNT)

Въглеродните нанотръби са здрави и гъвкави, но много сплотени. Те са трудни за диспергиране в течности, като вода, етанол, масло, полимер или епоксидна смола. Ултразвукът е ефективен метод за получаване на дискретни – еднодисперсна – въглеродни нанотръби.

Въглеродните нанотръби (CNT) се използват в лепила, покрития и полимери и като електропроводими пълнители в пластмаси за разсейване на статичните заряди в електрическото оборудване и в електростатично боядисаните панели на каросерията на автомобилите. Чрез използването на нанотръби полимерите могат да станат по-устойчиви на температури, агресивни химикали, корозивна среда, екстремни налягания и абразия. Има две категории въглеродни нанотръби: едностенни нанотръби (SWNT) и многостенни нанотръби (MWNT).

Въглеродните нанотръби обикновено се предлагат като сух материал, например от дружества като Изследване на SES или CNT Co., Ltd. Необходим е прост, надежден и мащабируем процес за деагломерация, за да се използват нанотръбите до максималния им потенциал. За течности до 100 000 cP ултразвукът е много ефективна технология за диспергиране на нанотръби във вода, масло или полимери в ниски или високи концентрации. Течните струйни потоци, получени от ултразвукова кавитация, преодоляване на силите на свързване между нанотръбите и отделяне на тръбите. Поради ултразвуково генерираните сили на срязване и микротурбуленциите, ултразвукът може да помогне за повърхностното покритие и химическата реакция на нанотръбите с други материали.

Обикновено грубата дисперсия на нанотръби първо се смесва предварително от стандартна бъркалка и след това се хомогенизира в реактора с ултразвукова поточна клетка. Видеото по-долу показва лабораторно изпитване (пакетно ултразвукоизвличане с помощта на UP400S) диспергиране на многостенни въглеродни нанотръби във вода с ниска концентрация. Поради химическата природа на въглерода, диспергиращото поведение на нанотръбите във вода е доста трудно. Както е показано във видеото, лесно може да се докаже, че ултразвукът е в състояние ефективно да разпръсква нанотръбите.

Дисперсия на отделни SWNT с голяма дължина

Основен проблем при обработката и манипулирането на SWNT е присъщата неразтворимост на епруветките в обикновени органични разтворители и вода. Функционализацията на страничната стена на нанотръбата или отворените краища за създаване на подходящ интерфейс между SWNT и разтворителя води най-вече до частично ексфолиране само на SWNT въжетата.
В резултат на това SWNT обикновено се разпръскват като снопове, а не като напълно изолирани отделни обекти. Когато се използват твърде сурови условия по време на дисперсия, SWNT се съкращават до дължини между 80 и 200 nm. Въпреки че това е полезно за някои тестове, тази дължина е твърде малка за повечето практически приложения, като полупроводникови или подсилващи SWNT. Контролирано, леко ултразвуково лечение (напр. чрез UP200Ht с 40 мм сонотроде) е ефективна процедура за получаване на водни дисперсии на дълги отделни SWNT. Последователностите на лека ултразвукова диагностика минимизират скъсяването и позволяват максимално запазване на структурните и електронните свойства.

Пречистване на SWNT чрез ултразвукова обработка с полимер

Трудно е да се проучи химическата модификация на молекулярно ниво, тъй като е трудно да се получат чисти Отгледаните съдържат много примеси, като метални частици и аморфни въглероди. Ултразвукът на SWNT в монохлорбензен (MCB) разтвор на поли(метилметакрилат) PMMA, последвано от филтрация, е ефективен начин за пречистване на SWNT. Този метод за пречистване с помощта на полимер позволява ефективно отстраняване на примесите от отгледаните SWNT. (Yudasaka et al.) Точният контрол на амплитудата на ултразвука позволява да се ограничат повредите на SWNT.

Хилшер широка гама от ултразвукови устройства и аксесоари за ефективно диспергиране на нанотръби.

• Компактни лабораторни апарати до 400 вата ултразвукова мощност за диспергиране в по-малки обеми до 2 литра
• UIP500hdT, UIP1000hdT и UIP1500hdT са ултразвукови процесори, които могат да обработват по-големи обеми.
• Ултразвукови системи на 2kW (UIP2000hdT) и 4kW (UIP4000hdT) може да се използва за диспергиране на въглеродни нанотръби в производствен мащаб. Проектът UIP10000 (10 киловата) и UIP16000 (16 киловата) може да се използва в клъстери от няколко отделни единици за широкомащабна обработка на въглеродни нанотръби.”

Литература

• 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.