Rovnoměrně dispergované CNTs pomocí ultrazvuku
Aby bylo možné využít výjimečné funkční vlastnosti uhlíkových nanotrubic (CNTs), musí být homogenně dispergovány.
Ultrazvukové dispergátory jsou nejběžnějším nástrojem pro distribuci CNTs do vodných suspenzí a suspenzí na bázi rozpouštědel.
Technologie ultrazvukového dispergování vytváří dostatečně vysokou smykovou energii k dosažení úplného oddělení CNTs, aniž by je poškodila.
Ultrazvukové dispergování uhlíkových nanotrubic
Uhlíkové nanotrubice (CNTs) mají velmi vysoký poměr stran a vykazují nízkou hustotu i obrovský měrný povrch (několik set m2/g), což jim dává jedinečné vlastnosti, jako je velmi vysoká pevnost v tahu, tuhost a houževnatost a velmi vysoká elektrická a tepelná vodivost. V důsledku Van der Waalsových sil, které k sobě přitahují jednotlivé uhlíkové nanotrubice (CNTs), se CNTs běžně uspořádávají do svazků nebo klubek. Tyto mezimolekulární přitažlivé síly jsou založeny na jevu vrstvení π-vazeb mezi sousedními nanotrubicemi, známém jako π-stacking. Aby bylo možné plně využít přínosy uhlíkových nanotrubic, musí být tyto aglomeráty rozpleteny a CNTs musí být rovnoměrně rozptýleny v homogenní disperzi. Intenzivní působení ultrazvuku vytváří v kapalinách akustickou kavitaci. Takto vzniklé lokální smykové napětí rozbíjí agregáty CNT a rovnoměrně je disperguje v homogenní suspenzi. Technologie ultrazvukového dispergování vytváří dostatečně vysokou smykovou energii k dosažení úplného oddělení CNTs, aniž by je poškodila. Dokonce i u citlivých SWNTs se sonikace úspěšně používá k jejich rozpletení na jednotlivé nanotrubice. Působení ultrazvuku poskytuje právě dostatečnou úroveň napětí k oddělení agregátů SWNT, aniž by způsobilo výraznější lámání jednotlivých nanotrubic (Huang, Terentjev 2012).
- Jednotlivě dispergované CNTs
- Homogenní distribuce
- Vysoká účinnost dispergace
- Vysoký obsah CNT
- Žádná degradace CNT
- Rychlé zpracování
- Přesné řízení procesu
UIP2000hdT – výkonný 2kW ultrazvukový přístroj pro disperze CNT
Vysoce výkonné ultrazvukové systémy pro disperze CNT
Hielscher Ultrasonics dodává výkonná a spolehlivá ultrazvuková zařízení pro efektivní disperzi CNTs. Ať už potřebujete připravit malé vzorky CNT pro analýzu a R&D, nebo musíte vyrábět velké průmyslové šarže objemových disperzí, produktová řada Hielscher nabízí ideální ultrazvukový systém pro vaše požadavky. Od 50W ultrazvukových přístrojů pro laboratoř až po 16kW průmyslové ultrazvukové jednotky pro komerční výrobu – Hielscher Ultrasonics má pro vás vždy řešení.
Pro výrobu vysoce kvalitních disperzí uhlíkových nanotrubic musí být procesní parametry dobře řízeny. Amplituda, teplota, tlak a doba zdržení jsou nejkritičtějšími parametry pro rovnoměrnou distribuci CNT. Ultrazvukové přístroje Hielscher umožňují nejen přesné řízení každého parametru, ale všechny procesní parametry se navíc automaticky zaznamenávají na integrovanou SD kartu digitálních ultrazvukových systémů Hielscher. Protokol každého procesu sonikace pomáhá zajistit reprodukovatelné výsledky a konzistentní kvalitu. Prostřednictvím vzdáleného ovládání přes prohlížeč může uživatel obsluhovat a monitorovat ultrazvukové zařízení, aniž by se nacházel v místě ultrazvukového systému.
Protože jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWNTs) a vícestěnné uhlíkové nanotrubice (MWNTs), stejně jako zvolené vodné nebo rozpouštědlové médium, vyžadují specifické intenzity zpracování, je ultrazvuková amplituda klíčovým faktorem z hlediska konečného produktu. Průmyslové ultrazvukové procesory společnosti Hielscher Ultrasonics mohou dodávat velmi vysoké i velmi mírné amplitudy. Stanovte ideální amplitudu pro požadavky vašeho procesu. Dokonce i amplitudy až 200µm lze snadno provozovat kontinuálně v režimu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zákaznicky upravené ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukových zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích.
Naši zákazníci jsou spokojeni s vynikající robustností a spolehlivostí systémů Hielscher Ultrasonic. Instalace v oblastech aplikací s vysokým zatížením, v náročných prostředích a v provozu 24/7 zajišťuje efektivní a ekonomické zpracování. Ultrazvuková intenzifikace procesů zkracuje dobu zpracování a dosahuje lepších výsledků, tj. vyšší kvality, vyšších výtěžků, inovativních produktů.
Tabulka níže vám poskytuje orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 0,5 až 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | klastr UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Vysoce výkonné ultrazvukové procesory od laboratorního přes pilotní až po průmyslové měřítko.
Literatura / Reference
- SOP – Ultrasonic Dispersion of Multi-Walled Carbon-Nanotubes using the UP400ST Sonicator – Hielscher Ultrasonics
- 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 znát
Co jsou uhlíkové nanotrubice
Uhlíkové nanotrubice (CNTs) patří do zvláštní 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. CNTs vykazují velmi vysokou pevnost v tahu, vynikající vlastnosti přenosu tepla, nízké šířky zakázaného pásu a optimální chemickou a fyzikální stabilitu, což z nanotrubic činí slibné aditivum pro rozmanité materiály.
V závislosti na své struktuře se CNTS rozlišují na jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWNTs), dvoustěnné uhlíkové nanotrubice (DWCNTs) a vícestěnné uhlíkové nanotrubice (MWNTs).
SWNTs jsou duté, dlouhé válcové trubice tvořené uhlíkovou stěnou o tloušťce jednoho atomu. Atomová vrstva uhlíků je uspořádána do voštinové mřížky. Často jsou koncepčně přirovnávány ke svinutým listům jednovrstvého grafitu nebo grafenu.
DWCNTs se skládají ze dvou jednostěnných nanotrubic, z nichž jedna je vnořena do druhé.
MWNTs jsou formou CNT, ve které je několik jednostěnných uhlíkových nanotrubic vnořeno do sebe. Protože se jejich průměr pohybuje mezi 3–30 nm a mohou dorůst délky několika cm, může se jejich poměr stran pohybovat mezi 10 a deseti miliony. Ve srovnání s uhlíkovými nanovlákny mají MWNTs odlišnou strukturu stěny, menší vnější průměr a dutý vnitřek. Běžně používanými průmyslově dostupnými typy MWNTs jsou např. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 a FutureCarbon CNT-MW.
Syntéza CNTs: CNTs lze vyrábět metodou plazmové syntézy nebo metodou odpařování v obloukovém výboji, metodou laserové ablace, procesem tepelné syntézy, chemickou depozicí z plynné fáze (CVD) nebo plazmaticky podporovanou chemickou depozicí z plynné fáze.
Funkcionalizace CNTs: Za účelem zlepšení vlastností uhlíkových nanotrubic, a tím i jejich lepší vhodnosti pro konkrétní aplikaci, se CNTs často funkcionalizují, např. přidáním skupin karboxylové kyseliny (-COOH) nebo hydroxylových (-OH) skupin.
Aditiva pro dispergaci CNT
Několik rozpouštědel, jako jsou superkyseliny, iontové kapaliny a N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, je schopno připravit disperze CNTs s relativně vysokou koncentrací, zatímco nejběžnější rozpouštědla pro nanotrubice, jako je N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), dimethylformamid (DMF) a 1,2-dichrolobenzene, dokážou dispergovat nanotrubice pouze při velmi nízkých koncentracích (např. typicky <0,02 wt% jednostěnných CNTs). Nejběžnějšími dispergačními činidly jsou polyvinylpyrrolidon (PVP), dodecylbenzensulfonát sodný (SDBS), Triton 100 nebo dodecylsulfonát sodný (SDS).
Kresoly jsou skupinou průmyslových chemikálií, které dokážou zpracovávat CNTs při koncentracích až desítek hmotnostních procent, což s rostoucím obsahem CNT vede k plynulému přechodu od zředěných disperzí přes husté pasty a samonosné gely až k bezprecedentnímu stavu podobnému modelíně. Tyto stavy vykazují reologické a viskoelastické vlastnosti podobné polymerům, kterých nelze dosáhnout s jinými běžnými rozpouštědly, což naznačuje, že nanotrubice jsou v kresolech skutečně deagregovány a jemně dispergovány. Kresoly lze po zpracování odstranit zahřátím nebo promytím, aniž by se změnil povrch CNTs. [Chiou et al. 2018]
Aplikace disperzí CNT
Aby bylo možné využít přínosy CNTs, musí být dispergovány v kapalině, jako jsou polymery. Rovnoměrně dispergované CNTs se používají k výrobě vodivých plastů, displejů z tekutých krystalů, organických světelných diod, dotykových obrazovek, flexibilních displejů, solárních článků, vodivých inkoustů, materiálů pro řízení statické elektřiny, včetně fólií, pěn, vláken a tkanin, polymerních povlaků a lepidel, vysoce výkonných polymerních kompozitů s výjimečnou mechanickou pevností a houževnatostí, kompozitních vláken polymer/CNT, jakož i lehkých a antistatických materiálů.
Jaké jsou formy uhlíku?
Uhlík existuje v několika alotropních modifikacích, mezi něž patří:
- Krystalické formy: diamant, grafit, grafen, uhlíkové nanotrubice (CNTs), fullereny (např. C₆₀).
- Amorfní formy: dřevěné uhlí, saze, průmyslové saze, skelný uhlík, diamantu podobný uhlík (DLC), jednovrstvý amorfní uhlík (MAC).
- Hybridní nanostruktury: nanodiamanty, uhlíkové cibule, uhlíkové aerogely a kompozity, jako jsou hybridy nanouhlík-kov.
Každá forma vykazuje odlišné fyzikálně-chemické vlastnosti významné pro aplikace v materiálových vědách, elektronice a skladování energie.