Jak dispergovat jednostěnné uhlíkové nanotrubice jednotlivě

Jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWNT nebo SWCNT) mají jedinečné vlastnosti, ale aby je bylo možné vyjádřit, musí být jednotlivě rozptýleny. Aby bylo možné plně využít výjimečných vlastností jednostěnných uhlíkových nanotrubiček, musí být trubice co nejúplněji rozčesány. SWNT stejně jako jiné nanočástice vykazují velmi vysoké přitažlivé síly, takže pro spolehlivou deaglomeraci a disperzi je zapotřebí výkonná a účinná technika. Zatímco běžné techniky míchání neposkytují intenzitu potřebnou k rozmotání SWNT bez jejich poškození, je prokázáno, že vysoce výkonný ultrazvuk rozmotává a rozptyluje SWCNT. Ultrazvukem generované kavitační smykové síly jsou dostatečně silné, aby překonaly vazebné síly, zatímco intenzitu ultrazvuku lze přesně nastavit, aby se zabránilo poškození SWCNT.

Problém:

Jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWCNT) se liší od vícestěnných uhlíkových nanotrubic (MWNTs/MWCNTs) svými elektrickými vlastnostmi. Zakázané pásmo SWCNT se může lišit od nuly do 2 eV a jejich elektrická vodivost se vyznačuje kovovým nebo polovodivým chováním. Vzhledem k tomu, že jednostěnné uhlíkové nanotrubice jsou vysoce soudržné, jednou z hlavních překážek při zpracování SWCNT je inherentní nerozpustnost trubic v organických rozpouštědlech nebo vodě. Aby bylo možné využít plný potenciál SWCNT, je zapotřebí jednoduchý, spolehlivý a škálovatelný proces deaglomerace trubek. Zejména funkcionalizace bočních stěn nebo otevřených konců CNT pro vytvoření vhodného rozhraní mezi SWCNT a organickým rozpouštědlem vede pouze k částečné exfoliaci SWCNT. Proto jsou SWCNT většinou rozptýleny spíše jako svazky než jako jednotlivá deaglomerovaná lana. Pokud jsou podmínky během disperze příliš tvrdé, SWCNT se zkrátí na délky mezi 80 až 200 nm. Pro většinu praktických aplikací, tj. pro polovodičové nebo výztužné SWCNT, je tato délka příliš malá.

Řešení:

Ultrazvuku je velmi účinná metoda dispergace a deaglomerace uhlíkových nanotrubic, protože ultrazvukové vlny ultrazvuku s vysokou intenzitou generují kavitaci v kapalinách. Zvukové vlny šířící se v kapalném médiu mají za následek střídání vysokotlakých (kompresních) a nízkotlakých (zředění) cyklů, přičemž rychlost závisí na frekvenci. Během nízkotlakého cyklu vytvářejí ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kapalině malé vakuové bubliny nebo dutiny. Když bubliny dosáhnou objemu, ve kterém již nemohou absorbovat energii, během vysokotlakého cyklu se prudce zhroutí. Tento jev se nazývá kavitace. Během imploze jsou lokálně dosahovány velmi vysoké teploty (cca 5 000 K) a tlaky (cca 2 000 atm). Imploze kavitační bubliny má také za následek trysky kapaliny o rychlosti až 280 m/s. Tyto kapalné proudy vzduchu, které jsou výsledkem Ultrazvuková kavitace, překonat vazebné síly mezi uhlíkovými nanotrubicemi, a proto se nanotrubice deaglomerují. Mírné, kontrolované ultrazvukové ošetření je vhodnou metodou pro vytvoření povrchově aktivních suspenzí stabilizovaných dispergovaných SWCNT s vysokou délkou. Pro řízenou výrobu SWCNT umožňují ultrazvukové procesory Hielscher provoz v širokém rozsahu sad ultrazvukových parametrů. Ultrazvuková amplituda, tlak kapaliny a složení kapaliny se mohou měnit podle konkrétního materiálu a procesu. To nabízí variabilní možnosti úprav, jako je např.

• amplitudy sonotrody až 170 mikronů
• Tlak kapaliny až 10 barů
• průtok kapaliny až 15 l/min (v závislosti na procesu)
• teploty kapaliny do 80 °C (jiné teploty na vyžádání)
• viskozita materiálu až 100.000cp

 

Kromě toho ultrazvuku jako metoda čištění s pomocí polymeru umožňuje účinně odstraňovat nečistoty z pěstovaných SWCNT. Je obtížné studovat chemickou modifikaci SWCNT na molekulární úrovni, protože je obtížné získat čisté SWNT. Pěstované SWCNT obsahují mnoho nečistot, jako jsou kovové částice a amorfní uhlíky. Ultrazvuku SWCNT v roztoku monochlorbenzenu (MCB) poly(methylmethakrylátu) PMMA následovaná filtrací je účinný způsob čištění SWCNT. Tato metoda čištění za pomoci polymeru umožňuje účinně odstraňovat nečistoty z pěstovaných SWCNT. Přesné řízení amplitudy ultrazvuku umožňuje zabránit nebo omezit poškození SWCNTs.

Ultrazvuková zařízení

Hielscher nabízí vysoký výkon Ultrazvukové procesory pro sonikaci každého svazku. Ultrazvuková zařízení od 50 W do 16 000 W, která mohou být uspořádána do shluků, umožňují najít vhodný ultrazvuk pro každou aplikaci, a to jak v laboratoři, tak v průmyslu. Pro sofistikovanou disperzi nanotrubic se doporučuje kontinuální sonikace. Pomocí Hielscherových průtokových buněk je možné dispergovat CNT do kapalin se zvýšenou viskozitou, jako jsou polymery, taveniny s vysokou viskozitou a termoplasty.

Klikněte zde a přečtěte si více o disperzi a modifikaci nanotrubic pomocí vysoce výkonného ultrazvuku!