Rovnoměrně rozptýlené CNT ultrazvukem
Aby bylo možné využít výjimečné funkce uhlíkových nanotrubic (CNT), musí být homogenně rozptýleny.
Ultrazvukové dispergátory jsou nejběžnějším nástrojem pro distribuci CNT do vodných suspenzí a suspenzí na bázi rozpouštědel.
Technologie ultrazvukové dispergace vytváří dostatečně vysokou smykovou energii pro dosažení úplného oddělení CNT bez jejich poškození.
Ultrazvuková dispergace uhlíkových nanotrubic
Uhlíkové nanotrubice (CNT) mají velmi vysoký poměr stran a vykazují nízkou hustotu a také obrovský povrch (několik stovek m2/g), což jim dává jedinečné vlastnosti, jako je velmi vysoká pevnost v tahu, tuhost a houževnatost a velmi vysoká elektrická a tepelná vodivost. Díky Van der Waalsovým silám, které k sobě přitahují jednotlivé uhlíkové nanotrubice (CNT), se CNT normálně uspořádají do svazků nebo přaden. Tyto mezimolekulární přitažlivé síly jsou založeny na jevu vrstvení π vazeb mezi sousedními nanotrubicemi známém jako π-vrstvení. Aby bylo možné plně využít výhod uhlíkových nanotrubiček, musí být tyto aglomeráty rozpleteny a CNT musí být rovnoměrně rozloženy v homogenní disperzi. Intenzivní ultrazvuku vytváří akustickou kavitaci v kapalinách. Takto generované místní smykové napětí rozbíjí agregáty CNT a rovnoměrně je disperguje v homogenní suspenzi. Technologie ultrazvukové dispergace vytváří dostatečně vysokou smykovou energii pro dosažení úplného oddělení CNT bez jejich poškození. Dokonce i pro citlivé SWNTs sonikace je úspěšně aplikována k jejich rozpletení jednotlivě. Ultrazvuku pouze poskytuje dostatečnou úroveň napětí k oddělení agregátů SWNT, aniž by došlo k velké zlomenině jednotlivých nanotrubic (Huang, Terentjev 2012).
- Jednoduché disperzní CNT
- Homogenní distribuce
- Vysoká účinnost disperze
- Vysoké zatížení CNT
- Žádná degradace CNT
- Rychlé zpracování
- Přesné řízení procesu
UIP2000hdT – 2kW výkonný ultrasonicator pro disperze CNT
Vysoce výkonné ultrazvukové systémy pro disperze CNT
Hielscher Ultrasonics dodává výkonné a spolehlivé ultrazvukové zařízení pro efektivní disperzi CNT. Ať už potřebujete připravit malé vzorky CNT pro analýzu a R&D nebo musíte vyrábět velké průmyslové šarže sypkých disperzí, sortiment Hielscher nabízí ideální ultrazvukový systém pro vaše požadavky. Od 50W ultrasonicators pro laboratoř až do 16kW průmyslové ultrazvukové jednotky pro komerční výrobu, Hielscher Ultrasonics vás pokryje.
Pro výrobu vysoce kvalitních disperzí uhlíkových nanotrubic musí být parametry procesu dobře kontrolovány. Amplituda, teplota, tlak a retenční čas jsou nejkritičtějšími parametry pro rovnoměrnou distribuci CNT. Hielscherovy ultrasonicators umožňují nejen přesné ovládání každého parametru, všechny parametry procesu jsou automaticky zaznamenávány na integrovanou SD kartu Hielscherových digitálních ultrazvukových systémů. Protokol každého procesu sonikace pomáhá zajistit reprodukovatelné výsledky a konzistentní kvalitu. Prostřednictvím dálkového ovládání prohlížeče může uživatel obsluhovat a sledovat ultrazvukové zařízení, aniž by se nacházel na místě ultrazvukového systému.
Vzhledem k tomu, že jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWNT) a vícestěnné uhlíkové nanotrubice (MWNT), stejně jako vybrané vodné nebo rozpouštědlové médium, vyžadují specifické intenzity zpracování, je ultrazvuková amplituda klíčovým faktorem, pokud jde o konečný produkt. Hielscher Ultrazvuk’ Průmyslové ultrazvukové procesory mohou poskytovat velmi vysoké i velmi mírné amplitudy. Stanovte si ideální amplitudu pro vaše procesní požadavky. Dokonce i amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích.
Naši zákazníci jsou spokojeni s vynikající robustností a spolehlivostí systémů Hielscher Ultrasonic. Instalace v oblastech náročných aplikací, náročných prostředích a provoz 24/7 zajišťují efektivní a ekonomické zpracování. Ultrazvuková intenzifikace procesu zkracuje dobu zpracování a dosahuje lepších výsledků, tj. vyšší kvality, vyšších výnosů, inovativních produktů.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 0Přibližně 5 až 1,5 ml | Není k dispozici | VialTweeter |
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Vysoce výkonné ultrazvukové procesory od laboratorního po pilotní a průmyslové měřítko.
Literatura / Reference
- 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.
Fakta, která stojí za to vědět
Uhlíkové nanotrubice
Uhlíkové nanotrubice (CNT) jsou součástí speciální třídy jednorozměrných uhlíkových materiálů, které vykazují výjimečné mechanické, elektrické, tepelné a optické vlastnosti. Jsou hlavní složkou používanou při vývoji a výrobě pokročilých nanomateriálů, jako jsou nanokompozity, vyztužené polymery atd., a proto se používají v nejmodernějších technologiích. CNT se vyznačují velmi vysokou pevností v tahu, vynikajícími vlastnostmi přenosu tepla, nízkopásmovými mezerami a optimální chemickou a fyzikální stabilitou, což z nanotrubic činí slibnou přísadu pro rozmanité materiály.
V závislosti na jejich struktuře se CNTS rozlišují na jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWNT), dvoustěnné uhlíkové nanotrubice (DWCNT) a vícestěnné uhlíkové nanotrubice (MWNT).
SWNT jsou duté, dlouhé válcové trubky vyrobené z uhlíkové stěny o tloušťce jednoho atomu. Atomový list uhlíků je uspořádán ve voštinové mřížce. Často jsou koncepčně srovnávány se srolovanými listy z jednovrstvého grafitu nebo grafenu.
DWCNT se skládají ze dvou jednostěnných nanotrubic, z nichž jedna je vnořena do druhé.
MWNT jsou forma CNT, kde je do sebe vnořeno více jednostěnných uhlíkových nanotrubic. Vzhledem k tomu, že jejich průměr se pohybuje mezi 3–30 nm a protože mohou dorůstat délky několika cm, jejich poměr stran se může pohybovat mezi 10 a deseti miliony. Ve srovnání s uhlíkovými nanovlákny mají MWNT odlišnou strukturu stěn, menší vnější průměr a dutý vnitřek. Běžně používané průmyslově dostupné typy MWNT jsou např. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 a FutureCarbon CNT-MW.
Syntéza CNT: CNT lze vyrábět metodou syntézy na bázi plazmy nebo metodou odpařování obloukovým výbojem, metodou laserové ablace, procesem tepelné syntézy, chemickou depozicí z plynné fáze (CVD) nebo plazmou zesílenou chemickou depozicí z plynné fáze.
Funkcionalizace CNT: Aby se zlepšily vlastnosti uhlíkových nanotrubic a tím se staly vhodnějšími pro konkrétní aplikaci, jsou CNT často funkcionalizovány, např. přidáním karboxylových kyselin (-COOH) nebo hydroxylových (-OH) skupin.
Přísady dispergující CNT
Několik rozpouštědel, jako jsou superkyseliny, iontové kapaliny a N-cyklohexyl-2-pyrrolidnon, je schopno připravit relativně vysoké koncentrace disperzí CNT, zatímco nejběžnější rozpouštědla pro nanotrubice, jako je N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), dimethylformamid (DMF) a 1,2-dichrolobenzen, mohou dispergovat nanotrubice pouze při velmi nízkých koncentracích (např. <00,02 hm% jednostěnných CNT). Nejběžnějšími disperzními činidly jsou polyvinylpyrrolidon (PVP), dodecylbenzensulfonát sodný (SDBS), Triton 100 nebo dodecylsulfonát sodný (SDS).
Kresoly jsou skupinou průmyslových chemikálií, které mohou zpracovávat CNT v koncentracích až desítek hmotnostních procent, což má za následek nepřetržitý přechod od zředěných disperzí, hustých past a volně stojících gelů do bezprecedentního stavu podobného těstu, jak se zvyšuje zatížení CNT. Tyto stavy vykazují reologické a viskoelastické vlastnosti podobné polymeru, které nejsou dosažitelné s jinými běžnými rozpouštědly, což naznačuje, že nanotrubice jsou skutečně rozloženy a jemně dispergovány v kresolech. Kresoly lze po zpracování odstranit zahřátím nebo praním, aniž by se změnil povrch CNT. [Chiou et al. 2018]
Aplikace disperzí CNT
Aby bylo možné využít výhod CNT, musí být dispergovány do kapaliny, jako jsou polymery, Rovnoměrně dispergované CNT se používají k výrobě vodivých plastů, displejů z tekutých krystalů, organických diod vyzařujících světlo, dotykových obrazovek, flexibilních displejů, solárních článků, vodivých inkoustů, materiálů pro statickou kontrolu, včetně fólií, pěn, vláken a tkanin, polymerních povlaků a lepidel, vysoce výkonných polymerních kompozitů s výjimečnou mechanickou pevností a houževnatostí, polymerní/CNT kompozitní vlákna, stejně jako lehké a antistatické materiály.