Jak dispergovat jednostěnné uhlíkové nanotrubice jednotlivě

Jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWNT nebo SWCNT) mají jedinečné vlastnosti, aby se však projevily, musí být dispergovány jednotlivě. Aby bylo možné plně využít výjimečné vlastnosti jednostěnných uhlíkových nanotrubic, musí být trubice co nejúplněji rozpleteny. SWNT, stejně jako jiné nanočástice, vykazují velmi vysoké přitažlivé síly, takže pro spolehlivou deaglomeraci a dispergaci je zapotřebí výkonná a účinná technika. Zatímco běžné techniky míchání neposkytují intenzitu potřebnou k rozpletení SWNT bez jejich poškození, u vysoce výkonného ultrazvuku je prokázáno, že SWCNT rozplétá a disperguje. Kavitační smykové síly generované ultrazvukem jsou dostatečně silné, aby překonaly vazebné síly, přičemž intenzitu ultrazvuku lze přesně nastavit tak, aby nedošlo k poškození SWCNT.

Problém:

Jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWCNT) se od vícestěnných uhlíkových nanotrubic (MWNT/ MWCNT) liší svými elektrickými vlastnostmi. Šířka zakázaného pásu SWCNT se může pohybovat od nuly do 2 eV a jejich elektrická vodivost vykazuje kovové nebo polovodičové chování. Protože jsou jednostěnné uhlíkové nanotrubice vysoce kohezní, je jednou z hlavních překážek při zpracování SWCNT inherentní nerozpustnost trubic v organických rozpouštědlech nebo ve vodě. Aby bylo možné využít plný potenciál SWCNT, je zapotřebí jednoduchý, spolehlivý a škálovatelný proces deaglomerace trubic. Zejména funkcionalizace bočních stěn nebo otevřených konců CNT za účelem vytvoření vhodného rozhraní mezi SWCNT a organickým rozpouštědlem vede pouze k částečné exfoliaci SWCNT. Proto jsou SWCNT většinou dispergovány ve formě svazků, nikoli jako jednotlivé deaglomerované provazce. Jsou-li podmínky během dispergace příliš drsné, SWCNT se zkrátí na délky 80 až 200nm. Pro většinu praktických aplikací, tj. pro polovodivé nebo vyztužující SWCNT, je tato délka příliš malá.

Řešení:

Sonikace je velmi účinná metoda dispergace a deaglomerace uhlíkových nanotrubic, protože ultrazvukové vlny vysoké intenzity vytvářejí v kapalinách kavitaci. Zvukové vlny šířící se kapalným médiem vedou ke střídání cyklů vysokého tlaku (komprese) a nízkého tlaku (zředění), jejichž rychlost závisí na frekvenci. Během nízkotlakého cyklu vytvářejí ultrazvukové vlny vysoké intenzity v kapalině malé vakuové bubliny neboli dutiny. Když bubliny dosáhnou objemu, při kterém již nemohou absorbovat energii, během vysokotlakého cyklu prudce zkolabují. Tento jev se nazývá kavitace. Během imploze jsou lokálně dosahovány velmi vysoké teploty (přibl. 5 000K) a tlaky (přibl. 2 000atm). Imploze kavitační bubliny má rovněž za následek vznik proudů kapaliny o rychlosti až 280m/s. Tyto proudy kapaliny, které vznikají v důsledku ultrazvukové kavitace, překonávají vazebné síly mezi uhlíkovými nanotrubicemi, a nanotrubice jsou tak deaglomerovány. Šetrné, řízené ultrazvukové ošetření je vhodnou metodou pro přípravu suspenzí dispergovaných SWCNT s velkou délkou, stabilizovaných povrchově aktivními látkami. Pro řízenou výrobu SWCNT umožňují ultrazvukové procesory Hielscher provoz v širokém rozsahu sad ultrazvukových parametrů. Ultrazvukovou amplitudu, tlak kapaliny a složení kapaliny lze měnit podle konkrétního materiálu a procesu. To nabízí různé možnosti nastavení, jako jsou

• amplitudy sonotrody až 170 mikronů
• tlaky kapaliny až 10 bars
• průtoky kapaliny až 15L/min (v závislosti na procesu)
• teploty kapaliny až 80 degC (jiné teploty na vyžádání)
• viskozita materiálu až 100 000cp

 

Sonikace jako metoda čištění za pomoci polymeru navíc umožňuje účinně odstraňovat nečistoty z SWCNT ve stavu po syntéze. Studium chemické modifikace SWCNT na molekulární úrovni je obtížné, protože je obtížné získat čisté SWNT. SWCNT ve stavu po syntéze obsahují mnoho nečistot, jako jsou kovové částice a amorfní uhlíky. Sonikace SWCNT v roztoku poly(methylmethakrylátu) PMMA v monochlorbenzenu (MCB) s následnou filtrací je účinný způsob čištění SWCNT. Tato metoda čištění za pomoci polymeru umožňuje účinně odstraňovat nečistoty z SWCNT ve stavu po syntéze. Přesné řízení amplitudy sonikace umožňuje zabránit poškození SWCNT nebo je omezit.

Ultrazvuková zařízení

Hielscher nabízí vysoce výkonné ultrazvukové procesory pro sonikaci jakéhokoli objemu. Ultrazvuková zařízení o výkonu od 50 wattů až do 16 000 wattů, která lze sestavit do klastrů, umožňují najít vhodný ultrazvukový přístroj pro každou aplikaci, v laboratoři i v průmyslu. Pro náročnou dispergaci nanotrubic se doporučuje kontinuální sonikace. S použitím průtokových cel Hielscher je možné dispergovat CNT do kapalin se zvýšenou viskozitou, jako jsou polymery, vysoce viskózní taveniny a termoplasty.

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