Ultrazvučno dispergiranje ugljičnih nanocijevi (CNT)
Ugljične nanocijevi su čvrste i fleksibilne, ali veoma kohezivne. Teško ih je dispergirati u tekućine kao što su voda, etanol, ulje, polimer ili epoksidna smola. Ultrazvuk je efikasna metoda za dobivanje diskretnih – pojedinačno dispergiranih – ugljičnih nanocijevi.
Ugljične nanocijevi (CNT) koriste se u ljepilima, premazima i polimerima te kao električno provodljiva punila u plastici za odvođenje statičkog naboja u električnoj opremi i u elektrostatički lakiranim karoserijskim panelima automobila. Upotrebom nanocijevi polimeri mogu postati otporniji na temperature, agresivne kemikalije, korozivna okruženja, ekstremne pritiske i abraziju. Postoje dvije kategorije ugljičnih nanocijevi: jednoslojne nanocijevi (SWNT) i višeslojne nanocijevi (MWNT).
Industrijski ultrazvučni homogenizator UIP1500hdT za dispergiranje ugljičnih nanocijevi (CNT) i drugih nanomaterijala.
Ugljične nanocijevi su općenito dostupne kao suhi materijal, npr. od kompanija kao što je SES Research ili CNT Co., Ltd. Potreban je jednostavan, pouzdan i skalabilan proces deaglomeracije kako bi se nanocijevi iskoristile do svog maksimalnog potencijala. Za tekućine viskoznosti do 100.000cP ultrazvuk je veoma efikasna tehnologija za dispergiranje nanocijevi u vodi, ulju ili polimerima pri niskim ili visokim koncentracijama. Mlazevi tekućine nastali uslijed ultrazvučne kavitacije nadvladavaju sile vezivanja među nanocijevima i razdvajaju cijevi. Zahvaljujući ultrazvučno generiranim smičnim silama i mikroturbulencijama, ultrazvuk može pomoći i pri površinskom oblaganju nanocijevi te njihovoj hemijskoj reakciji s drugim materijalima.
Grubo dispergirana smjesa nanocijevi se općenito prvo predmiješa standardnom miješalicom, a zatim homogenizira u ultrazvučnom reaktoru s protočnom ćelijom. Video u nastavku prikazuje laboratorijski pokus (šaržna sonikacija pomoću uređaja UP400S) u kojem se višeslojne ugljične nanocijevi dispergiraju u vodi pri niskoj koncentraciji. Zbog hemijske prirode ugljika, ponašanje nanocijevi pri dispergiranju u vodi prilično je teško. Kao što se vidi u videu, lako se može pokazati da je ultrazvučna obrada sposobna efikasno dispergirati nanocijevi.
Usporedba različitih nanopunila dispergiranih u učvršćivaču pomoću ultrazvučne obrade sondom): (a) 0,5 wt% ugljično nanovlakno (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxid; (c) 0,5 wt% ugljična nanocijev (CNT); (d) 0,5 wt% polu-dispergirani CNT.
Studija i slika: ©Zanghellini et al., 2021
Disperzija pojedinačnih SWNT-ova velike dužine
Veliki problem pri preradi i manipulaciji SWNT-ovima je inherentna netopivost cijevi u uobičajenim organskim otapalima i vodi. Funkcionalizacija bočne stijenke ili otvorenih krajeva nanocijevi radi stvaranja odgovarajućeg međupovršinskog sloja između SWNT-ova i otapala uglavnom dovodi samo do djelomičnog razdvajanja užadi SWNT-ova.
Posljedično, SWNT-ovi se obično dispergiraju kao snopovi, a ne kao potpuno izolirani pojedinačni objekti. Kada se tokom dispergiranja primijene pretjerano oštri uvjeti, SWNT-ovi se skraćuju na dužine između 80 i 200nm. Iako je to korisno za određena ispitivanja, ta je dužina premala za većinu praktičnih primjena, kao što su poluprovodnički ili ojačavajući SWNT-ovi. Kontrolirana, blaga ultrazvučna obrada (npr. pomoću uređaja UP200Ht sa sonotrodom od 40mm) efikasan je postupak za pripremu vodenih disperzija dugih pojedinačnih SWNT-ova. Nizovi blage ultrazvučne obrade minimiziraju skraćivanje i omogućavaju maksimalno očuvanje strukturnih i elektronskih svojstava.
Pročišćavanje SWNT-ova ultrazvučnom obradom potpomognutom polimerom
Hemijsku modifikaciju SWNT-ova na molekularnom nivou teško je proučavati jer je teško dobiti čiste SWNT-ove. SWNT-ovi u stanju nakon rasta sadrže mnoge nečistoće, kao što su metalne čestice i amorfni ugljik. Ultrazvučna obrada SWNT-ova u otopini monohlorbenzena (MCB) i poli(metil metakrilata) PMMA, praćena filtracijom, efikasan je način pročišćavanja SWNT-ova. Ova metoda pročišćavanja potpomognuta polimerom omogućava efikasno uklanjanje nečistoća iz SWNT-ova nakon rasta. (Yudasaka et al.) Precizna kontrola amplitude ultrazvučne obrade omogućava ograničavanje oštećenja SWNT-ova.
Hielscher – širok raspon ultrazvučnih uređaja i pribora za efikasno dispergiranje nanocijevi.
- Kompaktni laboratorijski uređaji snage do 400 vati ultrazvučne snage za dispergiranje u manjim zapreminama do 2 litre
- UIP500hdT, UIP1000hdT i UIP1500hdT su ultrazvučni procesori koji mogu obrađivati veće zapremine.
- Ultrazvučni sistemi od 2kW (UIP2000hdT) i 4kW (UIP4000hdT) mogu se koristiti za dispergiranje ugljičnih nanocijevi u proizvodnom mjerilu. UIP10000 (10 kilovata) i UIP16000 (16 kilovata) mogu se koristiti u klasterima od nekoliko pojedinačnih jedinica za obradu ugljičnih nanocijevi u velikom mjerilu.”
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Literatura
- 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.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijskih do industrijskih veličina.