Равномерно диспергирани CNT чрез ултразвукова обработка

За да се използват изключителните функционални свойства на въглеродните нанотръби (CNT), те трябва да бъдат хомогенно диспергирани.
Ултразвуковите диспергатори са най-разпространеният инструмент за разпределяне на CNT във водни суспензии и суспензии на основата на разтворители.
Технологията за ултразвуково диспергиране създава достатъчно висока енергия на срязване, за да се постигне пълно разделяне на CNT, без те да бъдат увредени.

Ултразвуково диспергиране на въглеродни нанотръби

Въглеродните нанотръби (CNT) имат много високо съотношение между дължината и диаметъра и се характеризират с ниска плътност, както и с огромна специфична повърхност (няколкостотин m2/g), което им придава уникални свойства като много висока якост на опън, коравина и жилавост и много висока електрическа и топлинна проводимост. Поради силите на Ван дер Ваалс, които привличат отделните въглеродни нанотръби (CNT) една към друга, CNT обикновено се подреждат в снопове или кълба. Тези междумолекулни сили на привличане се основават на явление на подреждане на π-връзки между съседни нанотръби, известно като π-стекинг. За да се използват напълно предимствата на въглеродните нанотръби, тези агломерати трябва да бъдат разплетени, а CNT трябва да бъдат равномерно разпределени в хомогенна дисперсия. Интензивната ултразвукова обработка създава акустична кавитация в течностите. Възникващото вследствие на това локално напрежение на срязване разрушава агрегатите от CNT и ги диспергира равномерно в хомогенна суспензия. Технологията за ултразвуково диспергиране създава достатъчно висока енергия на срязване, за да се постигне пълно разделяне на CNT, без те да бъдат увредени. Дори при чувствителните SWNT ултразвуковата обработка се прилага успешно за разплитането им до отделни нанотръби. Ултразвуковата обработка осигурява точно достатъчно ниво на напрежение за разделяне на агрегатите от SWNT, без да причинява значително счупване на отделните нанотръби (Huang, Terentjev 2012).

Предимства на ултразвуковото диспергиране на CNT

Индивидуално диспергирани CNT
Хомогенно разпределение
Висока ефективност на диспергиране
Високо съдържание на CNT
Без разграждане на CNT
Бърза обработка
Прецизен контрол на процеса

Нанофлуидите, синтезирани чрез ултразвук, са ефективни охлаждащи и топлообменни течности. Топлопроводимите наноматериали значително повишават топлообмена и способността за отвеждане на топлина. Ултразвуковата обработка е утвърден метод за синтез и функционализиране на топлопроводими наночастици, както и за производство на стабилни, високоефективни нанофлуиди за охлаждане.

Високопроизводителни ултразвукови системи за дисперсии на CNT

Hielscher Ultrasonics предлага мощно и надеждно ултразвуково оборудване за ефективно диспергиране на CNT. Независимо дали трябва да подготвите малки проби с CNT за анализ и научноизследователска и развойна дейност, или да произвеждате големи промишлени партиди дисперсии в големи обеми, продуктовата гама на Hielscher предлага идеалната ултразвукова система за вашите изисквания. От ултразвукови апарати с мощност 50W за лаборатории до промишлени ултразвукови устройства с мощност 16kW за търговско производство, Hielscher Ultrasonics покрива вашите нужди.
За получаване на висококачествени дисперсии на въглеродни нанотръби параметрите на процеса трябва да се контролират добре. Амплитудата, температурата, налягането и времето на престой са най-критичните параметри за равномерно разпределение на CNT. Ултразвуковите апарати на Hielscher не само позволяват прецизен контрол на всеки параметър, но и всички параметри на процеса се записват автоматично на вградената SD карта на цифровите ултразвукови системи на Hielscher. Протоколът на всеки процес на ултразвукова обработка помага да се осигурят възпроизводими резултати и постоянно качество. Чрез дистанционно управление през браузър потребителят може да управлява и наблюдава ултразвуковото устройство, без да се намира на мястото на ултразвуковата система.
Тъй като едностенните въглеродни нанотръби (SWNT) и многостенните въглеродни нанотръби (MWNT), както и избраната водна среда или среда на основата на разтворител, изискват специфична интензивност на обработката, ултразвуковата амплитуда е ключов фактор за крайния продукт. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да осигурят както много високи, така и много ниски амплитуди. Определете идеалната амплитуда за изискванията на вашия процес. Дори амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при тежки натоварвания и в условия с високи изисквания.
Нашите клиенти са удовлетворени от изключителната здравина и надеждност на системите на Hielscher Ultrasonic. Инсталирането им за приложения с тежки натоварвания, в условия с високи изисквания и за работа 24/7 осигурява ефективна и икономична обработка. Ултразвуковата интензификация на процесите намалява времето за обработка и постига по-добри резултати, т.е. по-високо качество, по-високи добиви и иновативни продукти.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

Обем на партидата	Дебит	Препоръчителни устройства
0,5 до 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 до 500mL	10 до 200mL/min	UP100H
10 до 2000mL	20 до 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 до 20L	0,2 до 4L/min	UIP2000hdT
10 до 100L	2 до 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 до 100L/min	UIP16000
n.a.	по-голям	група от UIP16000

Свържете се с нас! / Попитайте ни!

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

Свързани теми

Литература / Източници

SOP – Ultrasonic Dispersion of Multi-Walled Carbon-Nanotubes using the UP400ST Sonicator – Hielscher Ultrasonics
Biver T.; Criscitiello F.; Di Francesco F.; Minichino M.; Swager T.; Pucci A. (2015): MWCNT/Perylene bisimide Water Dispersions for Miniaturized Temperature Sensors. RSC Advances 5: 2015. 65023–65029.
Chiou K.; Byun S.; Kim J.; Huang J. (2018): Additive-free carbon nanotube dispersions, pastes, gels, and doughs in cresols. PNAS Vol. 115, No. 22, 2018. 5703–5708.
Huang, Y.Y:; Terentjev E.M. (2012): Dispersion of Carbon Nanotubes: Mixing, Sonication, Stabilization, and Composite Properties. Polymers 2012, 4, 275-295.
Krause B.; Mende M.; Petzold G.; Pötschke P. (2010): Characterization on carbon nanotubes’ dispersability using centrifugal sedimentation analysis in aqueous surfactant dispersions. Conference paper ANTEC 2010, Orlando, USA, May 16-20 2010.
Paredes J.I.; Burghard M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length. Langmuir 2004, 20, 5149-5152.
Santos A.; Amorim L.; Nunes J.P.; Rocha L.A.; Ferreira Silva A.; Viana J.C. (2019): A Comparative Study between Knocked-Down Aligned Carbon Nanotubes and Buckypaper-Based Strain Sensors. Materials 2019, 12, 2013.
Szelag M. (2017): Mechano-Physical Properties and Microstructure of Carbon Nanotube Reinforced Cement Paste after Thermal Load. Nanomaterials 7(9), 2017. 267.

Полезни факти

Какво представляват въглеродните нанотръби

Въглеродните нанотръби (CNT) са част от специален клас едномерни въглеродни материали, притежаващи изключителни механични, електрически, топлинни и оптични свойства. Те са основен компонент, използван при разработването и производството на съвременни наноматериали като нанокомпозити, подсилени полимери и др., и затова се използват в най-съвременните технологии. CNT се характеризират с много висока якост на опън, превъзходни свойства за топлообмен, тесни забранени зони и оптимална химична и физична стабилност, което прави нанотръбите обещаваща добавка за разнообразни материали.
В зависимост от структурата си CNTS се разделят на едностенни въглеродни нанотръби (SWNT), двустенни въглеродни нанотръби (DWCNT) и многостенни въглеродни нанотръби (MWNT).
SWNT са кухи, дълги цилиндрични тръби, изградени от въглеродна стена с дебелина един атом. Атомният лист от въглеродни атоми е подреден в решетка тип пчелна пита. Често те концептуално се сравняват с навити листове от еднослоен графит или графен.
DWCNT се състоят от две едностенни нанотръби, едната вложена в другата.
MWNT са форма на CNT, при която множество едностенни въглеродни нанотръби са вложени една в друга. Тъй като диаметърът им е в диапазона 3–30 nm и могат да достигнат дължина от няколко cm, съотношението между дължината и диаметъра им може да варира между 10 и десет милиона. В сравнение с въглеродните нановлакна MWNT имат различна структура на стената, по-малък външен диаметър и куха вътрешност. Често използвани промишлено достъпни видове MWNT са например Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 и FutureCarbon CNT-MW.
Синтез на CNT: CNT могат да се произвеждат чрез метод на плазмен синтез или метод на изпаряване чрез електродъгов разряд, метод на лазерна аблация, процес на термичен синтез, химично отлагане от парна фаза (CVD) или плазмено усилено химично отлагане от парна фаза.
Функционализиране на CNT: За да се подобрят характеристиките на въглеродните нанотръби и така те да станат по-подходящи за конкретно приложение, CNT често се функционализират, например чрез добавяне на карбоксилни (-COOH) или хидроксилни (-OH) групи.

Добавки за диспергиране на CNT

Някои разтворители, като суперкиселини, йонни течности и N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, позволяват получаване на дисперсии на CNT с относително висока концентрация, докато най-разпространените разтворители за нанотръби, като N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), диметилформамид (DMF) и 1,2-dichrolobenzene, могат да диспергират нанотръби само при много ниски концентрации (например обикновено <0,02 wt% едностенни CNT). Най-разпространените диспергиращи агенти са поливинилпиролидон (PVP), натриев додецилбензенсулфонат (SDBS), Triton 100 или натриев додецилсулфонат (SDS).
Крезолите са група промишлени химикали, които позволяват обработка на CNT при концентрации до десетки масови проценти, което води до непрекъснат преход от разредени дисперсии през гъсти пасти и самостоятелно запазващи формата си гелове до безпрецедентно състояние, подобно на пластилин, с увеличаване на съдържанието на CNT. Тези състояния проявяват реологични и вискоеластични свойства, подобни на тези на полимерите, които не могат да бъдат постигнати с други обичайни разтворители, което подсказва, че нанотръбите действително са дезагрегирани и фино диспергирани в крезолите. Крезолите могат да се отстранят след обработката чрез нагряване или промиване, без да се променя повърхността на CNT. [Chiou et al. 2018]

Приложения на дисперсиите на CNT

За да се използват предимствата на CNT, те трябва да бъдат диспергирани в течност, например полимери. Равномерно диспергираните CNT се използват за производство на електропроводими пластмаси, течнокристални дисплеи, органични светодиоди, сензорни екрани, гъвкави дисплеи, слънчеви клетки, електропроводими мастила, материали за контрол на статичното електричество, включително филми, пени, влакна и тъкани, полимерни покрития и лепила, високоефективни полимерни композити с изключителна механична якост и жилавост, композитни влакна от полимер/CNT, както и леки и антистатични материали.

Какви са формите на въглерода?
Въглеродът съществува в няколко алотропни форми, включително:

Кристални форми: диамант, графит, графен, въглеродни нанотръби (CNT), фулерени (например C₆₀).
Аморфни форми: дървени въглища, сажди, технически въглерод, стъкловиден въглерод, диамантоподобен въглерод (DLC), еднослоен аморфен въглерод (MAC).
Хибридни наноструктури: нанодиаманти, въглеродни структури тип лук, въглеродни аерогелове и композити като хибриди от нановъглерод и метал.

Всяка форма притежава различни физикохимични свойства, важни за приложенията в материалознанието, електрониката и съхранението на енергия.