Ravnomjerno dispergirani CNT-ovi ultrazvučnom obradom

Da bi se iskoristile izuzetne funkcionalnosti ugljikovih nanocijevi (CNT), one moraju biti homogeno dispergirane.
Ultrazvučni dispergatori su najčešći alat za raspodjelu CNT-ova u vodenim suspenzijama i suspenzijama na bazi otapala.
Tehnologija ultrazvučnog dispergiranja stvara dovoljno visoku smičnu energiju za potpuno razdvajanje CNT-ova bez njihovog oštećenja.

Ultrazvučno dispergiranje ugljikovih nanocijevi

Ugljikove nanocijevi (CNT) imaju vrlo visok omjer dimenzija i malu gustoću, kao i ogromnu površinu (nekoliko stotina m2/g), što im daje jedinstvena svojstva kao što su vrlo visoka vlačna čvrstoća, krutost i žilavost te vrlo visoka električna i toplinska provodljivost. Zbog Van der Waalsovih sila, koje privlače pojedinačne ugljikove nanocijevi (CNT) jedne prema drugima, CNT-ovi se obično slažu u snopove ili pramenove. Te međumolekulske privlačne sile temelje se na pojavi slaganja π-veza između susjednih nanocijevi, poznatoj kao π-stacking. Da bi se postigla puna korist od ugljikovih nanocijevi, ti aglomerati moraju biti razmršeni, a CNT-ovi moraju biti ravnomjerno raspoređeni u homogenoj disperziji. Intenzivna ultrazvučna obrada stvara akustičnu kavitaciju u tekućinama. Lokalno smično naprezanje koje se time stvara razbija CNT agregate i ravnomjerno ih dispergira u homogenoj suspenziji. Tehnologija ultrazvučnog dispergiranja stvara dovoljno visoku smičnu energiju za potpuno razdvajanje CNT-ova bez njihovog oštećenja. Čak i kod osjetljivih SWNT-ova sonikacija se uspješno primjenjuje za njihovo pojedinačno razmršavanje. Ultrazvučna obrada isporučuje tek dovoljnu razinu naprezanja za razdvajanje agregata SWNT-ova, bez izazivanja većeg loma pojedinačnih nanocijevi (Huang, Terentjev 2012).

Prednosti ultrazvučne disperzije CNT-ova

Pojedinačno dispergirani CNT-ovi
Homogena raspodjela
Visoka efikasnost dispergiranja
Visoka opterećenja CNT-ovima
Bez degradacije CNT-ova
Brza obrada
Precizna kontrola procesa

Ultrazvučno sintetizirani nanofluidi efikasna su rashladna sredstva i tečnosti za izmjenjivače toplote. Toplotno provodljivi nanomaterijali znatno povećavaju prijenos toplote i kapacitet njenog odvođenja. Sonikacija je dobro etablirana u sintezi i funkcionalizaciji toplotno provodljivih nanočestica, kao i u proizvodnji stabilnih nanofluida visokih performansi za primjenu u hlađenju.

Visokoučinkoviti ultrazvučni sistemi za CNT disperzije

Hielscher Ultrasonics isporučuje snažnu i pouzdanu ultrazvučnu opremu za efikasno dispergiranje CNT-ova. Bilo da trebate pripremiti male uzorke CNT-ova za analizu i R&D ili proizvoditi velike industrijske serije masovnih disperzija, asortiman proizvoda kompanije Hielscher nudi idealan ultrazvučni sistem za vaše zahtjeve. Od ultrazvučnih uređaja od 50W za laboratorije do industrijskih ultrazvučnih jedinica od 16kW za komercijalnu proizvodnju, Hielscher Ultrasonics ima rješenje za sve vaše potrebe.
Da bi se dobile visokokvalitetne disperzije ugljikovih nanocijevi, procesni parametri moraju biti dobro kontrolirani. Amplituda, temperatura, pritisak i vrijeme zadržavanja najkritičniji su parametri za ravnomjernu raspodjelu CNT-ova. Ultrazvučni uređaji kompanije Hielscher ne omogućavaju samo preciznu kontrolu svakog parametra, već se svi procesni parametri automatski bilježe na integriranu SD karticu digitalnih ultrazvučnih sistema kompanije Hielscher. Protokol svakog procesa ultrazvučne obrade pomaže u osiguravanju ponovljivih rezultata i dosljedne kvalitete. Putem daljinskog upravljanja preko preglednika korisnik može upravljati ultrazvučnim uređajem i nadzirati ga bez potrebe da se nalazi na lokaciji ultrazvučnog sistema.
Budući da jednozidne ugljikove nanocijevi (SWNT) i višezidne ugljikove nanocijevi (MWNT), kao i odabrani vodeni medij ili medij na bazi otapala, zahtijevaju specifične intenzitete obrade, ultrazvučna amplituda je ključni faktor kada je riječ o konačnom proizvodu. Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti vrlo visoke, ali i vrlo blage amplitude. Odredite idealnu amplitudu za zahtjeve vašeg procesa. Čak se i amplitude do 200µm mogu lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher omogućava rad 24/7 u teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.
Naše kupce oduševljavaju izuzetna robusnost i pouzdanost sistema Hielscher Ultrasonic. Ugradnja u područjima zahtjevnih primjena, zahtjevnih okruženja i rada 24/7 osigurava efikasnu i ekonomičnu obradu. Intenzifikacija procesa ultrazvukom skraćuje vrijeme obrade i postiže bolje rezultate, tj. višu kvalitetu, veće prinose i inovativne proizvode.
Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Volumen šarže	Protok	Preporučeni uređaji
0,5 do 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	veći	klaster UIP16000

Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!

Ultrazvučno dispergiranje ugljikovih nanocijevi: Ultrazvučni uređaj Hielscher UP400S (400W) brzo i efikasno dispergira i razdvaja isprepletene ugljikove nanocijevi (CNT) u pojedinačne nanocijevi.

Povezane teme

Literatura / Reference

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.

Zanimljivosti i korisne informacije

Šta su ugljikove nanocijevi

Ugljikove nanocijevi (CNT) dio su posebne klase jednodimenzionalnih ugljikovih materijala koji pokazuju izuzetna mehanička, električna, toplinska i optička svojstva. One su važna komponenta koja se koristi u razvoju i proizvodnji naprednih nanomaterijala kao što su nanokompoziti, ojačani polimeri itd. i stoga se koriste u najsavremenijim tehnologijama. CNT-ovi imaju vrlo visoku vlačnu čvrstoću, superiorna svojstva prijenosa topline, male energetske procjepe te optimalnu hemijsku i fizičku stabilnost, zbog čega su nanocijevi obećavajući aditiv za raznovrsne materijale.
U zavisnosti od strukture, CNTS se razlikuju na jednozidne ugljikove nanocijevi (SWNT), dvozidne ugljikove nanocijevi (DWCNT) i višezidne ugljikove nanocijevi (MWNT).
SWNT-ovi su šuplje, duge cilindrične cijevi izrađene od ugljikovog zida debljine jednog atoma. Atomski sloj ugljika raspoređen je u saćastu rešetku. Često se konceptualno uspoređuju sa smotanim listovima jednoslojnog grafita ili grafena.
DWCNT-ovi se sastoje od dvije jednozidne nanocijevi, od kojih je jedna smještena unutar druge.
MWNT-ovi su oblik CNT-ova u kojem je više jednozidnih ugljikovih nanocijevi smješteno jedna unutar druge. Budući da im se promjer kreće između 3–30 nm i da mogu narasti do nekoliko cm dužine, njihov omjer dimenzija može varirati između 10 i deset miliona. U usporedbi s ugljikovim nanovlaknima, MWNT-ovi imaju drugačiju strukturu zida, manji vanjski promjer i šuplju unutrašnjost. Uobičajeno korišteni, industrijski dostupni tipovi MWNT-ova su npr. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 i FutureCarbon CNT-MW.
Sinteza CNT-ova: CNT-ovi se mogu proizvesti metodom sinteze zasnovanom na plazmi ili metodom isparavanja električnim lukom, metodom laserske ablacije, procesom toplinske sinteze, hemijskim taloženjem iz parne faze (CVD) ili hemijskim taloženjem iz parne faze potpomognutim plazmom.
Funkcionalizacija CNT-ova: Da bi se poboljšale karakteristike ugljikovih nanocijevi i time ih učinilo prikladnijima za određenu primjenu, CNT-ovi se često funkcionaliziraju, npr. dodavanjem karboksilnih kiselina (-COOH) ili hidroksilnih (-OH) grupa.

Aditivi za dispergiranje CNT-ova

Nekoliko otapala kao što su superkiseline, ionske tekućine i N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone sposobna su pripremiti disperzije CNT-ova relativno visoke koncentracije, dok najčešća otapala za nanocijevi, kao što su N-metil-2-pirolidon (NMP), dimetilformamid (DMF) i 1,2-dichrolobenzene, mogu dispergirati nanocijevi samo pri vrlo niskim koncentracijama (npr. tipično <0,02 wt% jednozidnih CNT-ova). Najčešća sredstva za dispergiranje su polivinilpirolidon (PVP), natrijev dodecil benzen sulfonat (SDBS), Triton 100 ili natrijev dodecil sulfonat (SDS).
Krezoli su grupa industrijskih hemikalija koje mogu obrađivati CNT-ove pri koncentracijama do desetaka težinskih postotaka, što rezultira kontinuiranim prijelazom iz razrijeđenih disperzija, gustih pasta i samostojećih gelova u dosad neviđeno stanje nalik glini za modeliranje, kako se opterećenje CNT-ovima povećava. Ta stanja pokazuju reološka i viskoelastična svojstva nalik polimerima, koja se ne mogu postići drugim uobičajenim otapalima, što upućuje na to da su nanocijevi zaista dezagregirane i fino dispergirane u krezolima. Krezoli se nakon obrade mogu ukloniti zagrijavanjem ili ispiranjem, bez izmjene površine CNT-ova. [Chiou et al. 2018]

Primjene CNT disperzija

Da bi se iskoristile prednosti CNT-ova, oni moraju biti dispergirani u tekućinu kao što su polimeri. Ravnomjerno dispergirani CNT-ovi koriste se za proizvodnju provodljivih plastika, zaslona s tekućim kristalima, organskih svjetlećih dioda, zaslona osjetljivih na dodir, savitljivih zaslona, solarnih ćelija, provodljivih mastila, materijala za kontrolu statičkog elektriciteta, uključujući filmove, pjene, vlakna i tkanine, polimernih premaza i ljepila, visokoučinkovitih polimernih kompozita izuzetne mehaničke čvrstoće i žilavosti, kompozitnih vlakana polimer/CNT, kao i lakih i antistatičkih materijala.

Koji su oblici ugljika?
Ugljik postoji u nekoliko alotropa, uključujući:

Kristalni oblici: dijamant, grafit, grafen, ugljikove nanocijevi (CNT), fulereni (npr. C₆₀).
Amorfni oblici: drveni ugljen, čađa, industrijska čađa (carbon black), staklasti ugljik, ugljik sličan dijamantu (DLC), monoslojni amorfni ugljik (MAC).
Hibridne nanostrukture: nanodijamanti, ugljikovi lukovi, ugljikovi aerogelovi i kompoziti poput hibrida nanougljik-metal.

Svaki oblik pokazuje različita fizičko-hemijska svojstva relevantna za primjene u znanosti o materijalima, elektronici i skladištenju energije.