Ultrazvuková dispergace uhlíkových nanotrubic (CNT)
Uhlíkové nanotrubice jsou pevné a pružné, ale velmi soudržné. Je obtížné je dispergovat do kapalin, jako je voda, ethanol, olej, polymer nebo epoxidová pryskyřice. Ultrazvuk je účinná metoda k získání diskrétního – Jednotlivě dispergované – uhlíkové nanotrubice.
Uhlíkové nanotrubice (CNT) se používají v lepidlech, povlacích a polymerech a jako elektricky vodivá plniva v plastech k rozptýlení statického náboje v elektrických zařízeních a v elektrostaticky lakovatelných panelech automobilových karoserií. Použitím nanotrubic mohou být polymery odolnější vůči teplotám, agresivním chemikáliím, korozivnímu prostředí, extrémním tlakům a oděru. Existují dvě kategorie uhlíkových nanotrubic: jednostěnné nanotrubice (SWNT) a vícestěnné nanotrubice (MWNT).
Průmyslový ultrazvukový homogenizátor UIP1500hdT pro dispergaci uhlíkových nanotrubic (CNT) a jiných nanomateriálů.
Uhlíkové nanotrubice jsou obecně dostupné jako suchý materiál, např. od společností, jako jsou Výzkum společnosti SES nebo CNT Co., Ltd. Aby bylo možné využít potenciál nanotrubic na maximum, je zapotřebí jednoduchý, spolehlivý a škálovatelný proces deaglomerace. Pro kapaliny do 100 000 cP je ultrazvuk velmi účinnou technologií pro dispergaci nanotrubic ve vodě, oleji nebo polymerech při nízkých nebo vysokých koncentracích. Proud kapaliny vznikající v důsledku Ultrazvuková kavitace, překonat vazebné síly mezi nanotrubicemi a oddělit trubice. Vzhledem k ultrazvukem generovaným smykovým silám a mikroturbulencím může ultrazvuk pomoci také při povrchovém potahu a chemické reakci nanotrubic s jinými materiály.
Obecně platí, že hrubá disperze nanotrubic je nejprve předem smíchána standardním míchadlem a poté homogenizována v ultrazvukovém reaktoru s průtokovou buňkou. Video níže ukazuje laboratorní studii (dávková sonikace pomocí a UP400S) dispergující vícestěnné uhlíkové nanotrubice ve vodě při nízké koncentraci. Vzhledem k chemické povaze uhlíku je dispergační chování nanotrubic ve vodě poměrně obtížné. Jak je znázorněno ve videu, lze snadno prokázat, že ultrazvuku je schopen účinně dispergovat nanotrubice.
Porovnání různých nanoplniv dispergovaných v tvrdidle pomocí ultrazvuku typu sondy): (a) 0,5 hm% uhlíkových nanovláken (CNF); b) 0,5 % hm% CNToxid; c) 0,5 % hm., uhlíková nanotrubice (CNT); d) 0,5 hm% CNT polodispergovaný.
Studie a obrázek: ©Zanghellini et al., 2021
Disperze jednotlivých SWNT velké délky
Hlavním problémem při zpracování a manipulaci s SWNT je vlastní nerozpustnost zkumavek v běžných organických rozpouštědlech a vodě. Funkcionalizace boční stěny nanotrubic nebo otevřených konců pro vytvoření vhodného rozhraní mezi SWNT a rozpouštědlem většinou vede pouze k částečné exfoliaci lan SWNT.
Výsledkem je, že SWNT jsou obvykle rozptýleny spíše jako svazky než jako plně izolované jednotlivé objekty. Pokud jsou během disperze použity příliš drsné podmínky, jsou SWNT zkráceny na délky mezi 80 a 200 nm. I když je to užitečné pro určité testy, tato délka je příliš malá pro většinu praktických aplikací, jako jsou polovodivé nebo výztužné SWNT. Kontrolované, mírné ultrazvukové ošetření (např. UP200Ht s 40mm sonotrodou) je účinný postup pro přípravu vodných disperzí dlouhých jednotlivých SWNT. Sekvence mírné ultrazvuku minimalizují zkrácení a umožňují maximální zachování strukturních a elektronických vlastností.
Čištění SWNT polymerem asistovanou ultrazvuku
Je obtížné studovat chemickou modifikaci SWNT na molekulární úrovni, protože je obtížné získat čisté SWNT. SWNT pěstované v reálném čase obsahují mnoho nečistot, jako jsou kovové částice a amorfní uhlíky. Ultrazvuku SWNT v roztoku monochlorbenzenu (MCB) poly(methylmethakrylátu) PMMA následovaná filtrací je účinný způsob čištění SWNT. Tato polymerem asistovaná metoda čištění umožňuje účinně odstranit nečistoty z vypěstovaných SWNT. (Yudasaka et al.) Přesné řízení amplitudy ultrazvuku umožňuje omezit poškození SWNT.
Hielscherův Široká škála ultrazvukových zařízení a příslušenství pro efektivní dispergaci nanotrubiček.
- Kompaktní laboratorní přístroje až do výše Ultrazvukový výkon 400 W pro dispergaci do menších objemů do 2 litrů
- UIP500hdT, UIP1000hdT a UIP1500hdT jsou ultrazvukové procesory, které mohou zpracovávat větší objemy.
- Ultrazvukové systémy 2kW (UIP2000hdT) a 4kW (UIP4000hdT) Lze použít pro dispergaci uhlíkových nanotrubic ve výrobním měřítku. Ten UIP10000 (10 kilowattů) a UIP16000 (16 kilowattů) Lze použít ve shlucích několika samostatných jednotek pro zpracování uhlíkových nanotrubic ve velkém měřítku.”
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 laboratoř k průmyslová velikost.