Ultralydsdispergering af kulstofnanorør (CNT)

Kulstofnanorør er stærke og fleksible, men har en meget stærk indbyrdes sammenhængskraft. De er vanskelige at dispergere i væsker som vand, ethanol, olie, polymer eller epoxyharpiks. Ultralyd er en effektiv metode til at opnå adskilte – enkeltvis dispergerede – kulstofnanorør.

Kulstofnanorør (CNT) anvendes i klæbemidler, belægninger og polymerer samt som elektrisk ledende fyldstoffer i plast til at aflede statiske ladninger i elektrisk udstyr og i karrosseripaneler til biler, der kan males elektrostatisk. Ved at anvende nanorør kan polymerer gøres mere modstandsdygtige over for temperaturer, aggressive kemikalier, korrosive miljøer, ekstreme tryk og slid. Der findes to kategorier af kulstofnanorør: enkeltvæggede nanorør (SWNT) og flervæggede nanorør (MWNT).

Kulstofnanorør fås generelt som tørt materiale, f.eks. fra virksomheder som SES Research eller CNT Co., Ltd. Der er behov for en enkel, pålidelig og skalerbar proces til deagglomerering for at udnytte nanorørenes fulde potentiale. For væsker med en viskositet på op til 100.000cP er ultralyd en meget effektiv teknologi til dispergering af nanorør i vand, olie eller polymerer ved lave eller høje koncentrationer. De væskestråler, der dannes som følge af ultralydskavitation, overvinder bindingskræfterne mellem nanorørene og adskiller rørene. På grund af de ultralydsgenererede forskydningskræfter og mikroturbulenser kan ultralyd også understøtte overfladebelægning af nanorør og deres kemiske reaktion med andre materialer.

Generelt forblandes en grov nanorørsdispersion først med en standardomrører og homogeniseres derefter i ultralydsflowcellereaktoren. Videoen nedenfor viser et laboratorieforsøg (batchsonikering med en UP400S), hvor flervæggede kulstofnanorør dispergeres i vand ved lav koncentration. På grund af kulstofs kemiske natur er nanorørenes dispergeringsadfærd i vand forholdsvis vanskelig. Som vist i videoen kan det let demonstreres, at sonikering er i stand til at dispergere nanorør effektivt.

Ultralydsdispergering af kulstofnanorør: Hielscher ultralydsapparatet UP400S (400W) dispergerer og adskiller hurtigt og effektivt sammenfiltrede CNT'er til individuelle nanorør.

Dispergering af lange, individuelle SWNT’er

Et væsentligt problem ved behandling og håndtering af SWNT’er er rørenes iboende uopløselighed i almindelige organiske opløsningsmidler og vand. Funktionalisering af nanorørenes sidevæg eller åbne ender for at skabe en passende grænseflade mellem SWNT’erne og opløsningsmidlet fører for det meste kun til delvis opsplitning af de rebformede SWNT-bundter.
Som følge heraf dispergeres SWNT’erne typisk som bundter frem for fuldstændigt isolerede, individuelle objekter. Når der anvendes for hårde betingelser under dispergeringen, forkortes SWNT’erne til længder mellem 80 og 200nm. Selvom dette er nyttigt til visse forsøg, er denne længde for lille til de fleste praktiske anvendelser, såsom halvledende eller forstærkende SWNT’er. Kontrolleret, mild ultralydsbehandling (f.eks. med UP200Ht med 40mm sonotrode) er en effektiv metode til at fremstille vandige dispersioner af lange, individuelle SWNT’er. Sekvenser af mild sonikering minimerer forkortningen og muliggør maksimal bevarelse af strukturelle og elektroniske egenskaber.

Oprensning af SWNT ved polymerassisteret sonikering

Det er vanskeligt at undersøge den kemiske modificering af SWNT’er på molekylært niveau, fordi det er vanskeligt at opnå rene SWNT’er. SWNT’er i deres oprindelige, fremstillede tilstand indeholder mange urenheder, såsom metalpartikler og amorft kulstof. Sonikering af SWNT’er i en opløsning af poly(methylmethacrylat) PMMA i monochlorbenzen (MCB) efterfulgt af filtrering er en effektiv måde at oprense SWNT’er på. Denne polymerassisterede oprensningsmetode gør det muligt effektivt at fjerne urenheder fra SWNT’er i deres oprindelige, fremstillede tilstand. (Yudasaka et al.) Præcis styring af sonikeringsamplituden gør det muligt at begrænse skader på SWNT’erne.

Hielschers brede udvalg af ultralydsapparater og tilbehør til effektiv dispergering af nanorør.

• Kompakte laboratorieapparater med op til 400 watt ultralydseffekt til dispergering i mindre volumener på op til 2 liter
• UIP500hdT, UIP1000hdT og UIP1500hdT er ultralydsprocessorer, der kan behandle større volumener.
• Ultralydssystemer på 2kW (UIP2000hdT) og 4kW (UIP4000hdT) kan anvendes til dispergering af kulstofnanorør i produktionsskala. UIP10000 (10 kilowatt) og UIP16000 (16 kilowatt) kan anvendes i klynger af flere individuelle enheder til behandling af kulstofnanorør i stor skala.”

Litteratur

• 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.