Равномерно диспергирани CNT чрез ултразвук
За да се използват изключителните функционалности на въглеродните нанотръби (CNT), те трябва да бъдат хомогенно диспергирани.
Ултразвуковите диспергатори са най-често срещаният инструмент за разпределение 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 да ги повреди.
Ултразвуково диспергиране на въглеродни нанотръби
Въглеродните нанотръби (CNT) имат много високо съотношение на страните и показват ниска плътност, както и огромна повърхност (няколкостотин m2/g), което им придава уникални свойства като много висока якост на опън, твърдост и издръжливост и много висока електрическа и топлопроводимост. Поради силите на Ван дер Ваалс, които привличат единичните въглеродни нанотръби (CNT) една към друга, CNT се подреждат нормално в снопове или чилета. Тези междумолекулни сили на привличане се основават на феномен на подреждане на π-връзки между съседни нанотръби, известен като π-stacking. За да се извлече пълната полза от въглеродните нанотръби, тези агломерати трябва да бъдат разплетени и CNT трябва да бъдат разпределени равномерно в хомогенна дисперсия. Интензивният ултразвук създава акустична кавитация в течности. Така генерираното локално напрежение на срязване разрушава агрегатите CNT и ги разпръсква равномерно в хомогенна суспензия. Технологията за ултразвуково диспергиране създава достатъчно висока енергия на срязване, за да се постигне пълно разделяне на CNT, без да ги повреди. Дори за чувствителните SWNT ултразвукът се прилага успешно, за да ги разплете поотделно. Ултразвукът просто осигурява достатъчно ниво на напрежение за разделяне на SWNT агрегатите, без да причинява много счупване на отделните нанотръби (Huang, Terentjev 2012).
- Еднодисперсни CNT
- Хомогенно разпределение
- Висока ефективност на дисперсия
- Високи натоварвания на CNT
- Без разграждане на CNT
- Бърза обработка
- прецизен контрол на процеса
UIP2000hdT – 2kW мощен ултразвуков апарат за CNT дисперсии
Високоефективни ултразвукови системи за CNT дисперсии
Hielscher Ultrasonics доставя мощно и надеждно ултразвуково оборудване за ефективно разпръскване на CNT. Дали трябва да подготвите малки проби от CNT за анализ и R&D или трябва да произвеждате големи промишлени партиди насипни дисперсии, продуктовата гама на Hielscher предлага идеалната ултразвукова система за вашите изисквания. От 50W ултразвукови апарати за лаборатория до 16kW промишлени ултразвукови агрегати за търговско производство Hielscher Ultrasonics ви покрива.
За да се получат висококачествени дисперсии от въглеродни нанотръби, параметрите на процеса трябва да бъдат добре контролирани. Амплитудата, температурата, налягането и времето на задържане 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 ултразвук помага да се осигурят възпроизводими резултати и постоянно качество. Чрез дистанционно управление на браузъра потребителят може да управлява и наблюдава ултразвуковото устройство, без да е на мястото на ултразвуковата система.
Тъй като едностенните въглеродни нанотръби (SWNT) и многостенните въглеродни нанотръби (MWNT), както и избраната водна или разтворителна среда изискват специфичен интензитет на обработка, ултразвуковата амплитуда е ключов фактор, когато става въпрос за крайния продукт. Ултразвук на Hielscher’ Индустриалните ултразвукови процесори могат да осигурят както много високи, така и много меки амплитуди. Определете идеалната амплитуда за вашите изисквания към процеса. Дори амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява 24/7 работа при тежки натоварвания и в взискателни среди.
Нашите клиенти са доволни от изключителната здравина и надеждност на системите на Hielscher Ultrasonic. Инсталирането в области на тежки приложения, взискателни среди и работа 24/7 осигуряват ефективна и икономична обработка. Ултразвуковата интензификация на процеса намалява времето за обработка и постига по-добри резултати, т.е. по-високо качество, по-високи добиви, иновативни продукти.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 0.5 до 1,5 мл | Н.А. | ФлаконВисокоговорител за високи честоти |
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас!? Попитайте ни!
Високомощни ултразвукови процесори от лабораторен до пилотен и промишлен мащаб.
Литература? Препратки
- 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.
Факти, които си струва да знаете
Какво представляват въглеродните нанотръби
Въглеродните нанотръби (CNT) са част от специален клас едномерни въглеродни материали, показващи изключителни механични, електрически, термични и оптични свойства. Те са основен компонент, използван при разработването и производството на усъвършенствани наноматериали като нанокомпозити, подсилени полимери и т.н. и поради това се използват в най-съвременни технологии. CNT излагат много висока якост на опън, превъзходни свойства на топлообмен, ниски празнини и оптимална химическа и физическа стабилност, което прави нанотръбите обещаваща добавка за многообразни материали.
В зависимост от структурата си, CNTS се разграничават на едностенни въглеродни нанотръби (SWNT), двустенни въглеродни нанотръби (DWCNT) и многостенни въглеродни нанотръби (MWNT).
SWNT са кухи, дълги цилиндрични тръби, направени от въглеродна стена с дебелина един атом. Атомният лист от въглероди е подреден в решетка от пчелна пита. Често те концептуално се сравняват с навити листове от еднослоен графит или графен.
DWCNT се състоят от две едностенни нанотръби, като едната е вложена в другата.
MWNT са форма на CNT, при която множество едностенни въглеродни нанотръби са вложени една в друга. Тъй като диаметърът им варира между 3–30 nm и тъй като могат да нараснат с дължина няколко см, съотношението 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 използваните промишлено налични типове MWNT са например Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 и FutureCarbon CNT-MW.
Синтез на CNT: CNT могат да бъдат произведени чрез метод на синтез на плазмена основа или метод на изпаряване с дъгов разряд, метод на лазерна аблация, процес на термичен синтез, химическо отлагане на пари (CVD) или химическо отлагане с плазмено отлагане на пари.
Функционализация на CNT: За да се подобрят характеристиките на въглеродните нанотръби и по този начин да се направят по-подходящи за конкретно приложение, CNT често се функционализират, например чрез добавяне на групи на карбоксилна киселина (-COOH) или хидроксила (-OH).
CNT диспергиращи добавки
Няколко разтворители, като супер киселини, йонни течности и N-циклохексил-2-пиролиденон, са в състояние да получат дисперсии с относително висока концентрация на CNT, докато най-често срещаните разтворители за нанотръби, като N-метил-2-пиролидон (NMP), диметилформамид (DMF) и 1,2-дихлоробензен, могат да диспергират нанотръбички само при много ниски концентрации (напр. <00,02 тегловни % от едностенните CNT). Най-често срещаните дисперсионни агенти са поливинилпиролидон (PVP), натриев додецил бензен сулфонат (SDBS), Triton 100 или натриев додецил сулфонат (SDS).
Крезолите са група промишлени химикали, които могат да обработват CNT в концентрации до десетки тегловни процента, което води до непрекъснат преход от разредени дисперсии, гъсти пасти и свободно стоящи гелове към безпрецедентно състояние, подобно на пласти, тъй като натоварването на CNT се увеличава. Тези състояния проявяват полимероподобни реологични и вискоеластични свойства, които не са постижими с други често срещани разтворители, което предполага, че нанотръбите наистина са дезагрегирани и фино диспергирани в крезоли. Крезолите могат да бъдат отстранени след обработка чрез нагряване или измиване, без да се променя повърхността на CNT. [Chiou et al. 2018]
Приложения на CNT дисперсии
За да се използват предимствата на CNT, те трябва да бъдат диспергирани в течност като полимери, Равномерно диспергираните CNT се използват за производството на проводими пластмаси, течнокристални дисплеи, органични светодиоди, сензорни екрани, гъвкави дисплеи, слънчеви клетки, проводими мастила, статични контролни материали, включително филми, пяни, влакна и тъкани, полимерни покрития и лепила, високоефективни полимерни композити с изключителна механична якост и издръжливост, полимерни/CNT композитни влакна, както и леки и антистатични материали.
Какви са формите на въглерода?
Въглеродът съществува в няколко алотропа, включително:
- Кристални форми: диамант, графит, графен, въглеродни нанотръби (CNT), фулерени (напр. С60).
- Аморфни форми: въглен, сажди, сажди, стъклен въглерод, диамантеноподобен въглерод (DLC), еднослоен аморфен въглерод (MAC).
- Хибридни наноструктури: Нанодиаманти, въглероден лук, въглеродни аерогели и композити като нановъглерод-метални хибриди.
Всяка форма показва различни физикохимични свойства, свързани с приложенията в материалознанието, електрониката и съхранението на енергия.