Sådan spredes enkeltvæggede kulstofnanorør individuelt

Enkeltvæggede kulstofnanorør (SWNT'er eller SWCNT'er) har unikke egenskaber, men for at udtrykke dem skal de spredes individuelt. For at udnytte de enestående egenskaber ved enkeltvæggede kulstofnanorør fuldt ud, skal rørene udfiltres mest fuldstændigt. SWNT'er som andre nanopartikler viser meget høje tiltrækningskræfter, så der er behov for en kraftfuld og effektiv teknik til en pålidelig deagglomerering og dispersion. Mens almindelige blandingsteknikker ikke giver den intensitet, der er nødvendig for at løsne SWNT'er uden at beskadige dem, er det bevist, at ultralyd med høj effekt løsner og spreder SWCNT'er.

Problem:

Enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNT'er) adskiller sig fra flervæggede kulstofnanorør (MWNT'er/MWCNT'er) ved deres elektriske egenskaber. Båndgabet for SWCNT'er kan variere fra nul til 2 eV, og deres elektriske ledningsevne har metallisk eller halvledende adfærd. Da enkeltvæggede kulstofnanorør er meget sammenhængende, er en af de største hindringer ved behandling af SWCNT'er den iboende uopløselighed af rørene i organiske opløsningsmidler eller vand. For at udnytte det fulde potentiale af SWCNT'er er der behov for en enkel, pålidelig og skalerbar deagglomereringsproces af rørene. Især funktionaliseringen af CNT-sidevæggene eller åbne ender for at skabe en passende grænseflade mellem SWCNT'erne og det organiske opløsningsmiddel resulterer kun i delvis eksfoliering af SWCNT'erne. Derfor er SWCNT'er for det meste spredt som bundter snarere end individuelle deagglomererede reb. Hvis tilstanden under spredning er for hård, vil SWCNT'erne blive forkortet til længder mellem 80 og 200 nm. Til de fleste praktiske anvendelser, dvs. til halvledende eller forstærkende SWCNT'er, er denne længde for lille.

Opløsning:

Ultralydbehandling er en meget effektiv metode til dispergering og deagglomerering af kulstofnanorør, da ultralydsbølger af ultralyd med høj intensitet genererer kavitation i væsker. Lydbølgerne, der udbredes i det flydende medie, resulterer i skiftevis højtryks- (kompression) og lavtrykscyklusser (sjældenhed) med hastigheder afhængigt af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber ultralydsbølger med høj intensitet små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne opnår et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen kaldes kavitation. Under implosionen nås meget høje temperaturer (ca. 5.000 K) og tryk (ca. 2.000 atm) lokalt. Implosionen af kavitationsboblen resulterer også i væskestråler med en hastighed på op til 280 m/s. Disse flydende jetstrømme som følge af ultralyd kavitation, overvinder bindingskræfterne mellem kulstofnanorørene, og nanorørene bliver derfor deagglomereret. En mild, kontrolleret ultralydsbehandling er en passende metode til at skabe overfladeaktive stabiliserede suspensioner af dispergerede SWCNT'er med høj længde. Til kontrolleret produktion af SWCNT'er giver Hielschers ultralydsprocessorer mulighed for at køre på en bred vifte af ultralydsparametre. Ultralydsamplituden, væsketrykket og væskesammensætningen kan varieres henholdsvis til det specifikke materiale og den specifikke proces. Dette giver variable muligheder for justeringer, såsom

• Sonotrode amplituder på op til 170 mikron
• væsketryk på op til 10 bar
• væskestrømningshastigheder på op til 15 l/min (afhængigt af processen)
• væsketemperaturer på op til 80 °C (andre temperaturer på forespørgsel)
• Materialeviskositet på op til 100.000cp

 

Desuden gør ultralydbehandling som en polymerassisteret oprensningsmetode det muligt at fjerne urenheder fra as-voksede SWCNT'er effektivt. Det er vanskeligt at studere den kemiske modifikation af SWCNT'er på molekylært niveau, fordi det er vanskeligt at opnå rene SWNT'er. Ultralydbehandling af SWCNT'er i en monochlorbenzen (MCB) opløsning af poly (methylmethacrylat) PMMA efterfulgt af filtrering er en effektiv måde at rense SWCNT'er på. Denne polymerassisterede oprensningsmetode gør det muligt at fjerne urenheder fra SWCNT'er effektivt i vækst. Nøjagtig kontrol af ultralydsamplituden gør det muligt at undgå eller begrænse beskadigelse af SWCNT'erne.

Ultralyd udstyr

Hielscher tilbyder høj ydeevne Ultralydsprocessorer til sonikering af hvert bind. Ultralydsenheder fra 50 watt op til 16.000 watt, som kan opsættes i klynger, gør det muligt at finde den passende ultralyd til hver applikation, i laboratoriet såvel som i industrien. Til den sofistikerede spredning af nanorør anbefales en kontinuerlig sonikering. Ved hjælp af Hielschers flowceller bliver det muligt at dispergere CNT'er i væsker med forhøjet viskositet såsom polymerer, smelter med høj viskositet og termoplast.

Klik her for at læse mere om spredning og modifikation af nanorør ved ultralyd med høj effekt!