Sådan dispergeres enkeltvæggede kulstofnanorør enkeltvis

Enkeltvæggede kulstofnanorør (SWNTs eller SWCNTs) har unikke egenskaber, men for at disse kan komme til udtryk, skal rørene dispergeres enkeltvis. For at udnytte de enkeltvæggede kulstofnanorørs enestående egenskaber fuldt ud skal rørene løsnes fra hinanden så fuldstændigt som muligt. SWNTs udviser ligesom andre nanopartikler meget stærke tiltrækningskræfter, så en kraftfuld og effektiv teknik er nødvendig for pålidelig deagglomerering og dispergering. Mens almindelige blandingsteknikker ikke giver den intensitet, der er nødvendig for at løsne SWNTs fra hinanden uden at beskadige dem, har højeffektultralyd vist sig at kunne løsne og dispergere SWCNTs. De forskydningskræfter, som genereres ved ultralydsinduceret kavitation, er kraftige nok til at overvinde bindingskræfterne, mens ultralydsintensiteten kan justeres præcist for at undgå beskadigelse af SWCNTs.

Problem:

Enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNTs) adskiller sig fra flervæggede kulstofnanorør (MWNTs/ MWCNTs) ved deres elektriske egenskaber. Båndgabet i SWCNTs kan variere fra nul til 2 eV, og deres elektriske ledningsevne udviser metallisk eller halvledende adfærd. Da enkeltvæggede kulstofnanorør har stærk indbyrdes kohæsion, er rørenes iboende uopløselighed i organiske opløsningsmidler eller vand en af de største hindringer ved forarbejdning af SWCNTs. For at udnytte SWCNTs’ fulde potentiale er der behov for en enkel, pålidelig og skalerbar proces til deagglomerering af rørene. Især resulterer funktionalisering af CNTs’ sidevægge eller åbne ender for at skabe en egnet grænseflade mellem SWCNTs og det organiske opløsningsmiddel kun i delvis eksfoliering af SWCNTs. Derfor dispergeres SWCNTs for det meste som bundter frem for enkelte deagglomererede strenge. Hvis betingelserne under dispergeringen er for barske, afkortes SWCNTs til længder mellem 80 og 200nm. Til størstedelen af de praktiske anvendelser, dvs. til halvledende eller forstærkende SWCNTs, er denne længde for lille.

Løsning:

Sonikering er en meget effektiv metode til dispergering og deagglomerering af kulstofnanorør, da ultralydsbølger med høj intensitet genererer kavitation i væsker. Lydbølgerne, der udbredes i de flydende medier, resulterer i skiftende højtrykscyklusser (kompression) og lavtrykscyklusser (fortynding), hvis gentagelseshastighed afhænger af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber ultralydsbølger med høj intensitet små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne når et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen kaldes kavitation. Under implosionen opnås lokalt meget høje temperaturer (ca. 5.000K) og tryk (ca. 2.000atm). Kavitationsboblens implosion resulterer også i væskestråler med hastigheder på op til 280m/s. Disse væskestråler, som opstår som følge af ultralydskavitation, overvinder bindingskræfterne mellem kulstofnanorørene, og dermed deagglomereres nanorørene. En mild, kontrolleret ultralydsbehandling er en egnet metode til at skabe overfladeaktivt stabiliserede suspensioner af dispergerede SWCNTs med stor længde. Til kontrolleret produktion af SWCNTs giver Hielschers ultralydsprocessorer mulighed for drift med en bred vifte af sæt af ultralydsparametre. Ultralydsamplituden, væsketrykket og væskesammensætningen kan hver især varieres efter det specifikke materiale og den specifikke proces. Dette giver forskellige indstillingsmuligheder, såsom

• sonotrodeamplituder på op til 170 mikrometer
• væsketryk på op til 10 bars tryk
• væskeflowhastigheder på op til 15L/min (afhængigt af processen)
• væsketemperaturer på op til 80 degC (andre temperaturer på forespørgsel)
• materialeviskositet på op til 100.000cp

 

Desuden gør sonikering som polymerassisteret rensningsmetode det muligt effektivt at fjerne urenheder fra SWCNTs, som de foreligger umiddelbart efter vækst. Det er vanskeligt at undersøge den kemiske modifikation af SWCNTs på molekylært niveau, fordi det er vanskeligt at opnå rene SWNTs. SWCNTs, som de foreligger umiddelbart efter vækst, indeholder mange urenheder, såsom metalpartikler og amorft kulstof. Sonikering af SWCNTs i en opløsning af poly(methylmethacrylat) PMMA i monochlorbenzen (MCB) efterfulgt af filtrering er en effektiv måde at rense SWCNTs på. Denne polymerassisterede rensningsmetode gør det muligt effektivt at fjerne urenheder fra SWCNTs, som de foreligger umiddelbart efter vækst. Præcis styring af sonikeringsamplituden gør det muligt at undgå eller begrænse beskadigelse af SWCNTs.

Ultralydsudstyr

Hielscher tilbyder højtydende ultralydsprocessorer til sonikering af ethvert volumen. Ultralydsapparater fra 50 watt op til 16.000 watt, som kan opstilles i klynger, gør det muligt at finde det rette ultralydsapparat til enhver anvendelse, både i laboratoriet og i industrien. Til avanceret dispergering af nanorør anbefales kontinuerlig sonikering. Ved hjælp af Hielschers flowceller bliver det muligt at dispergere CNTs i væsker med forhøjet viskositet såsom polymerer, smelter med høj viskositet og termoplast.

Klik her for at læse mere om dispergering og modifikation af nanorør med højeffektultralyd!