Ultrazvukové dispergování uhlíkových nanotrubic (CNT)
Uhlíkové nanotrubice jsou pevné a pružné, ale velmi kohezní. Je obtížné je dispergovat do kapalin, jako je voda, ethanol, olej, polymer nebo epoxidová pryskyřice. Ultrazvuk je účinná metoda pro získání diskrétních – jednotlivě dispergovaných – uhlíkových nanotrubic.
Uhlíkové nanotrubice (CNT) se používají v lepidlech, nátěrových hmotách a polymerech a jako elektricky vodivá plniva v plastech k odvádění statických nábojů v elektrických zařízeních a v elektrostaticky lakovatelných panelech karoserií automobilů. Použitím nanotrubic lze polymery učinit odolnějšími vůči teplotám, agresivním chemikáliím, korozivnímu prostředí, extrémním tlakům a abrazi. Existují dvě kategorie uhlíkových nanotrubic: jednostěnné nanotrubice (SWNT) a vícestěnné nanotrubice (MWNT).
Průmyslový ultrazvukový homogenizátor UIP1500hdT pro dispergování uhlíkových nanotrubic (CNT) a dalších nanomateriálů.
Uhlíkové nanotrubice jsou obecně dostupné jako suchý materiál, např. od společností, jako je SES Research nebo CNT Co., Ltd. Aby bylo možné využít plný potenciál nanotrubic, je zapotřebí jednoduchý, spolehlivý a škálovatelný proces deaglomerace. U kapalin s viskozitou až 100 000cP je ultrazvuk velmi účinnou technologií pro dispergování nanotrubic ve vodě, oleji nebo polymerech při nízkých či vysokých koncentracích. Kapalinové proudy, vznikající v důsledku ultrazvukové kavitace, překonávají vazebné síly mezi nanotrubicemi a oddělují je od sebe. Díky smykovým silám a mikroturbulencím generovaným ultrazvukem může ultrazvuk napomáhat také povrchovému potahování nanotrubic a jejich chemické reakci s jinými materiály.
Obecně se hrubá disperze nanotrubic nejprve předmíchá běžným míchadlem a poté se homogenizuje v ultrazvukovém reaktoru s průtokovou celou. Níže uvedené video ukazuje laboratorní zkoušku (vsádková sonikace pomocí UP400S), při níž se dispergují vícestěnné uhlíkové nanotrubice ve vodě při nízké koncentraci. Vzhledem k chemické povaze uhlíku je chování nanotrubic při dispergaci ve vodě poměrně problematické. Jak ukazuje video, lze snadno prokázat, že sonikace je schopna nanotrubice účinně dispergovat.
Srovnání různých nanoplniv dispergovaných v tvrdidle pomocí sondové sonikace): (a) 0,5 wt% uhlíkových nanovláken (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxid; (c) 0,5 wt% uhlíkových nanotrubic (CNT); (d) 0,5 wt% CNT, částečně dispergované.
Studie a obrázek: ©Zanghellini et al., 2021
Disperze jednotlivých SWNT velké délky
Hlavním problémem při zpracování SWNT a manipulaci s nimi je jejich přirozená nerozpustnost v běžných organických rozpouštědlech a ve vodě. Funkcionalizace boční stěny nanotrubic nebo jejich otevřených konců za účelem vytvoření vhodného rozhraní mezi SWNT a rozpouštědlem vede většinou pouze k částečné exfoliaci provazců SWNT.
V důsledku toho jsou SWNT obvykle dispergovány spíše ve formě svazků než jako zcela izolované jednotlivé objekty. Při použití příliš drsných podmínek během dispergace se SWNT zkracují na délky mezi 80 a 200nm. Ačkoli je to užitečné pro určité testy, je tato délka pro většinu praktických aplikací, jako jsou polovodivé nebo výztužné SWNT, příliš malá. Řízené, šetrné ultrazvukové ošetření (např. pomocí UP200Ht se 40mm sonotrodou) je účinným postupem pro přípravu vodných disperzí dlouhých jednotlivých SWNT. Sekvence šetrné sonikace minimalizují zkracování a umožňují maximální zachování strukturních a elektronických vlastností.
Čištění SWNT sonikací za asistence polymeru
Je obtížné studovat chemickou modifikaci SWNT na molekulární úrovni, protože je obtížné získat čisté SWNT. SWNT ve stavu po růstu obsahují mnoho nečistot, jako jsou kovové částice a amorfní formy uhlíku. Sonikace SWNT v roztoku poly(methylmethakrylátu) PMMA v monochlorbenzenu (MCB) s následnou filtrací je účinným způsobem čištění SWNT. Tato metoda čištění za asistence polymeru umožňuje účinně odstraňovat nečistoty z SWNT ve stavu po růstu. (Yudasaka et al.) Přesné řízení amplitudy sonikace umožňuje omezit poškození SWNT.
Společnost Hielscher nabízí širokou škálu ultrazvukových zařízení a příslušenství pro efektivní dispergování nanotrubic.
- Kompaktní laboratorní zařízení až se 400 watty ultrazvukového výkonu pro dispergování v menších objemech až do 2 litrů
- UIP500hdT, UIP1000hdT a UIP1500hdT jsou ultrazvukové procesory, které dokážou zpracovat větší objemy.
- Ultrazvukové systémy o výkonu 2kW (UIP2000hdT) a 4kW (UIP4000hdT) lze použít pro dispergování uhlíkových nanotrubic v produkčním měřítku. Systémy UIP10000 (10 kilowattů) a UIP16000 (16 kilowattů) lze používat v klastrech několika samostatných jednotek pro velkoobjemové zpracování uhlíkových nanotrubic.“
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
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 vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratorní až po průmyslovou velikost.