Ultrazvučno raspršivanje ugljičnih nanocijevi (CNT)

Ugljične nanocijevi su jake i fleksibilne, ali vrlo kohezivne. Teško se raspršuju u tečnosti, kao što su voda, etanol, ulje, polimer ili epoksidna smola. Ultrazvuk je efikasna metoda za dobijanje diskretnih – jednodisperzno – ugljične nanocijevi.

Ugljične nanocijevi (CNT) se koriste u ljepilima, premazima i polimerima i kao električno provodljiva punila u plastici za raspršivanje statičkih naboja u električnoj opremi i u pločama karoserije automobila koje se mogu elektrostatski farbati. Korišćenjem nanocevi, polimeri se mogu učiniti otpornijim na temperature, jake hemikalije, korozivna okruženja, ekstremne pritiske i abraziju. Postoje dvije kategorije ugljeničnih nanocijevi: nanocijevi sa jednim zidom (SWNT) i nanocevi sa više zidova (MWNT).

Ugljične nanocijevi su općenito dostupne kao suhi materijal, npr. od kompanija, kao npr SES Research ili CNT Co., Ltd. Potreban je jednostavan, pouzdan i skalabilan proces za deaglomeraciju, kako bi se nanocijevi iskoristili do njihovog maksimalnog potencijala. Za tečnosti do 100.000cP ultrazvuk je vrlo efikasna tehnologija za dispergovanje nanocevi u vodi, ulju ili polimerima pri niskim ili visokim koncentracijama. Mlaz tekućine proizlazi iz ultrazvučna kavitacija, prevazilaze sile vezivanja između nanocevi i razdvajaju cevi. Zbog ultrazvučno generiranih posmičnih sila i mikro turbulencija, ultrazvuk može pomoći u površinskom premazivanju i kemijskoj reakciji nanocijevi s drugim materijalima.

Općenito, gruba disperzija nanocijevi se prvo prethodno miješa standardnom miješalicom, a zatim homogenizira u reaktoru ultrazvučne protočne ćelije. Video ispod prikazuje laboratorijsko ispitivanje (serijska sonikacija pomoću a UP400S) raspršivanje višezidnih ugljeničnih nanocevi u vodi pri niskoj koncentraciji. Zbog hemijske prirode ugljika, disperzivno ponašanje nanocijevi u vodi je prilično teško. Kao što je prikazano u videu, lako se može pokazati da je ultrazvuk sposoban efikasno raspršiti nanocijevi.

Disperzija pojedinačnih SWNT-ova velike dužine

Glavni problem za obradu i manipulaciju SWNT-ima je inherentna nerastvorljivost epruveta u uobičajenim organskim rastvaračima i vodi. Funkcionalizacija bočne stijenke nanocijevi ili otvorenih krajeva kako bi se stvorio odgovarajući interfejs između SWNT-a i rastvarača uglavnom dovodi do djelomičnog ljuštenja samo SWNT užadi.
Kao rezultat toga, SWNT-ovi su tipično raspršeni kao snopovi, a ne kao potpuno izolirani pojedinačni objekti. Kada se tokom disperzije koriste preteški uslovi, SWNT se skraćuju na dužine između 80 i 200 nm. Iako je ovo korisno za određene testove, ova dužina je premala za većinu praktičnih primjena, kao što su poluvodički ili ojačavajući SWNT. Kontrolisani, blagi ultrazvučni tretman (npr UP200Ht sa sonotrodom od 40 mm) je efikasan postupak za pripremu vodenih disperzija dugih pojedinačnih SWNT-ova. Sekvence blage ultrazvučne obrade minimiziraju skraćivanje i omogućavaju maksimalno očuvanje strukturnih i elektronskih svojstava.

Pročišćavanje SWNT ultrazvukom uz pomoć polimera

Teško je proučavati hemijsku modifikaciju SWNT na molekularnom nivou, jer je teško dobiti čiste SWNT. SWNT koje su uzgojene sadrže mnoge nečistoće, kao što su metalne čestice i amorfni ugljik. Ultrazvučna obrada SWNT-a u monohlorobenzenskom (MCB) rastvoru poli(metil metakrilata) PMMA praćena filtracijom je efikasan način za pročišćavanje SWNT-a. Ova metoda prečišćavanja potpomognuta polimerom omogućava efikasno uklanjanje nečistoća iz uzgojenih SWNT-ova. (Yudasaka et al.) Precizna kontrola amplitude ultrazvučne obrade omogućava ograničavanje oštećenja SWNT-ova.

Hielscher's širok spektar ultrazvučnih uređaja i pribor za efikasno dispergovanje nanocevi.

• Kompaktni laboratorijski uređaji od do Snaga ultrazvuka 400 vati za raspršivanje u manje zapremine do 2 litra
• UIP500hdT, UIP1000hdT i UIP1500hdT su ultrazvučni procesori koji mogu obraditi veće količine.
• Ultrazvučni sistemi 2kW (UIP2000hdT) i 4kW (UIP4000hdT) može se koristiti za proizvodnju ugljičnih nanocijevi za raspršivanje UIP10000 (10 kilovata) i UIP16000 (16 kilovata) može se koristiti u klasterima od nekoliko pojedinačnih jedinica za veliku obradu ugljičnih nanocijevi.”

Književnost

• 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.