Ултразвуково диспергиране на въглеродни нанотръби (CNT)

Въглеродните нанотръби са здрави и гъвкави, но имат много силна склонност към слепване. Те трудно се диспергират в течности като вода, етанол, масло, полимер или епоксидна смола. Ултразвукът е ефективен метод за получаване на отделни – индивидуално диспергирани – въглеродни нанотръби.

Въглеродните нанотръби (CNT) се използват в лепила, покрития и полимери, както и като електропроводими пълнители в пластмаси за разсейване на статични заряди в електрическо оборудване и в панели на автомобилни каросерии, които могат да се боядисват електростатично. Чрез използването на нанотръби полимерите могат да станат по-устойчиви на температури, агресивни химикали, корозивни среди, екстремни налягания и абразивно износване. Има две категории въглеродни нанотръби: едностенни нанотръби (SWNT) и многостенни нанотръби (MWNT).

Въглеродните нанотръби обикновено се предлагат като сух материал, например от компании като SES Research или CNT Co., Ltd. Необходим е прост, надежден и мащабируем процес за деагломерация, за да се използва максималният потенциал на нанотръбите. За течности с вискозитет до 100 000cP ултразвукът е много ефективна технология за диспергиране на нанотръби във вода, масло или полимери при ниски или високи концентрации. Течните струи, възникващи вследствие на ултразвукова кавитация, преодоляват силите на свързване между нанотръбите и ги отделят една от друга. Благодарение на генерираните от ултразвука сили на срязване и микротурбуленции ултразвукът може също да подпомогне нанасянето на повърхностни покрития и химичните реакции на нанотръбите с други материали.

Обикновено грубата дисперсия на нанотръби първо се смесва предварително със стандартна бъркалка и след това се хомогенизира в ултразвуков реактор с проточна клетка. Видеото по-долу показва лабораторен опит (периодична ултразвукова обработка с UP400S) за диспергиране на многостенни въглеродни нанотръби във вода при ниска концентрация. Поради химичната природа на въглерода диспергирането на нанотръби във вода е доста трудно. Както е показано във видеото, лесно може да се демонстрира, че ултразвуковата обработка е способна да диспергира нанотръбите ефективно.

Ултразвуково диспергиране на въглеродни нанотръби: Ултразвуковият хомогенизатор Hielscher UP400S (400W) диспергира и разплита бързо и ефективно въглеродните нанотръби (CNTs) до отделни нанотръби.

Диспергиране на отделни SWNT с голяма дължина

Основен проблем при обработката и манипулирането на SWNT е присъщата неразтворимост на нанотръбите в обичайните органични разтворители и във вода. Функционализирането на страничната стена или отворените краища на нанотръбите с цел създаване на подходяща междинна повърхност между SWNT и разтворителя обикновено води само до частично разделяне на въжеподобните снопове от SWNT.
В резултат на това SWNT обикновено се диспергират като снопове, а не като напълно изолирани отделни обекти. Когато при диспергирането се прилагат твърде интензивни условия, SWNT се скъсяват до дължини между 80 и 200nm. Въпреки че това е полезно за някои изпитвания, тази дължина е твърде малка за повечето практически приложения, например за полупроводникови или армиращи SWNT. Контролираната, щадяща ултразвукова обработка (например с UP200Ht със сонотрод 40mm) е ефективна процедура за приготвяне на водни дисперсии на дълги отделни SWNT. Последователните щадящи ултразвукови обработки свеждат скъсяването до минимум и позволяват максимално запазване на структурните и електронните свойства.

Пречистване на SWNT чрез ултразвукова обработка с помощта на полимер

Трудно е да се изследва химичната модификация на SWNT на молекулно ниво, тъй като е трудно да се получат чисти SWNT. SWNT в състоянието, в което са синтезирани, съдържат много примеси, като метални частици и аморфен въглерод. Ултразвуковата обработка на SWNT в разтвор на поли(метилметакрилат) PMMA в монохлоробензен (MCB), последвана от филтриране, е ефективен начин за пречистване на SWNT. Този метод за пречистване с помощта на полимер позволява ефективно отстраняване на примесите от SWNT в състоянието, в което са синтезирани. (Yudasaka et al.) Прецизният контрол на амплитудата на ултразвуковата обработка позволява да се ограничат уврежданията на SWNT.

Предлаганата от Hielscher широка гама ултразвукови устройства и принадлежности за ефективно диспергиране на нанотръби.

• Компактни лабораторни устройства с 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 с мощност 2kW (UIP2000hdT) и 4kW (UIP4000hdT) могат да се използват за диспергиране на въглеродни нанотръби в производствен мащаб. UIP10000 (10 киловата) и UIP16000 (16 киловата) могат да се използват в групи от няколко отделни устройства за мащабна 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.