Kako pojedinačno dispergirati jednozidne ugljične nanocijevi

Jednozidne ugljične nanocijevi (SWNT ili SWCNT) imaju jedinstvene karakteristike, ali da bi se one ispoljile, nanocijevi moraju biti pojedinačno dispergirane. Da bi se u potpunosti iskoristile izuzetne karakteristike jednozidnih ugljičnih nanocijevi, cijevi moraju biti što potpunije razmrsene. SWNT, kao i druge nanočestice, pokazuju vrlo jake privlačne sile, pa je za pouzdanu deaglomeraciju i dispergiranje potrebna snažna i efikasna tehnika. Dok uobičajene tehnike miješanja ne pružaju intenzitet potreban za razmrsivanje SWNT bez njihovog oštećenja, dokazano je da se visokoenergetskim ultrazvukom SWCNT mogu razmrsiti i dispergirati. Kavitacijske smične sile generirane ultrazvukom dovoljno su snažne da savladaju sile veze, dok se intenzitet ultrazvuka može precizno podešavati kako bi se izbjeglo oštećenje SWCNT.

Problem:

Jednozidne ugljične nanocijevi (SWCNT) razlikuju se od višezidnih ugljičnih nanocijevi (MWNT/ MWCNT) po svojim električnim svojstvima. Energetski procjep SWCNT može varirati od nule do 2 eV, a njihova električna provodljivost ima metalno ili poluvodičko ponašanje. Budući da su jednozidne ugljične nanocijevi izrazito kohezivne, jedna od glavnih prepreka u preradi SWCNT je inherentna netopivost cijevi u organskim otapalima ili vodi. Da bi se iskoristio puni potencijal SWCNT, potreban je jednostavan, pouzdan i skalabilan proces deaglomeracije cijevi. Posebno, funkcionalizacija bočnih stijenki ili otvorenih krajeva CNT-a radi stvaranja pogodne međupovršine između SWCNT i organskog otapala rezultira samo djelomičnom eksfolijacijom SWCNT. Stoga se SWCNT uglavnom dispergiraju kao snopovi, a ne kao pojedinačne deaglomerirane niti. Ako su uvjeti tokom dispergiranja pretjerano oštri, SWCNT će se skratiti na dužine između 80 i 200nm. Za većinu praktičnih primjena, tj. za poluvodičke ili ojačavajuće SWCNT, ta je dužina premala.

Rješenje:

Ultrazvučna obrada (sonikacija) vrlo je efikasna metoda za dispergiranje i deaglomeraciju ugljičnih nanocijevi, jer ultrazvučni talasi visokog intenziteta generiraju kavitaciju u tekućinama. Zvučni talasi koji se prostiru kroz tekući medij uzrokuju naizmjenične cikluse visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđenje), čija brzina ovisi o frekvenciji. Tokom ciklusa niskog tlaka ultrazvučni talasi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dosegnu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, silovito kolabiraju tokom ciklusa visokog tlaka. Ta se pojava naziva kavitacija. Tokom implozije lokalno se dostižu vrlo visoke temperature (cca 5.000K) i tlakovi (cca 2.000atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također rezultira tekućinskim mlazevima brzine do 280m/s. Ovi tekućinski mlazevi nastali djelovanjem ultrazvučne kavitacije savladavaju sile veze između ugljičnih nanocijevi, te se nanocijevi stoga deaglomeriraju. Blaga, kontrolirana ultrazvučna obrada prikladna je metoda za izradu suspenzija dispergiranih SWCNT velike dužine stabiliziranih surfaktantom. Za kontroliranu proizvodnju SWCNT, ultrazvučni procesori kompanije Hielscher omogućavaju rad u širokom rasponu skupova ultrazvučnih parametara. Ultrazvučna amplituda, tlak tekućine i sastav tekućine mogu se mijenjati u skladu sa specifičnim materijalom i procesom. To nudi raznolike mogućnosti podešavanja, kao što su

• amplitude sonotrode do 170 mikrona
• tlakovi tekućine do 10 bara
• protoci tekućine do 15L/min (ovisno o procesu)
• temperature tekućine do 80 degC (druge temperature na zahtjev)
• viskoznost materijala do 100.000cp

 

Nadalje, ultrazvučna obrada kao metoda pročišćavanja potpomognuta polimerom omogućava efikasno uklanjanje nečistoća iz SWCNT dobijenih rastom. Teško je proučavati hemijsku modifikaciju SWCNT na molekularnom nivou, jer je teško dobiti čiste SWNT. SWCNT dobijene rastom sadrže mnogo nečistoća, kao što su metalne čestice i amorfni ugljik. Ultrazvučna obrada SWCNT u otopini poli(metil metakrilata) PMMA u monoklorbenzenu (MCB), nakon čega slijedi filtracija, efikasan je način pročišćavanja SWCNT. Ova metoda pročišćavanja potpomognuta polimerom omogućava efikasno uklanjanje nečistoća iz SWCNT dobijenih rastom. Precizna kontrola amplitude ultrazvučne obrade omogućava izbjegavanje ili ograničavanje oštećenja SWCNT.

Ultrazvučna oprema

Hielscher nudi visokoučinkovite ultrazvučne procesore za ultrazvučnu obradu (sonikaciju) svakog volumena. Ultrazvučni uređaji od 50 vati do 16.000 vati, koji se mogu postaviti u klastere, omogućavaju pronalazak odgovarajućeg ultrazvučnog uređaja za svaku primjenu, kako u laboratoriju, tako i u industriji. Za zahtjevno dispergiranje nanocijevi preporučuje se kontinuirana ultrazvučna obrada. Korištenjem protočnih ćelija kompanije Hielscher moguće je dispergirati CNT u tekućine povišene viskoznosti, kao što su polimeri, taline visoke viskoznosti i termoplastike.

Kliknite ovdje da biste saznali više o dispergiranju i modifikaciji nanocijevi visokoenergetskim ultrazvukom!