Ensartet dispergerede CNT’er ved sonikering

Værd at vide

Hvad er kulstofnanorør

Kulstofnanorør (CNT’er) tilhører en særlig klasse af endimensionelle kulstofmaterialer med enestående mekaniske, elektriske, termiske og optiske egenskaber. De er en vigtig komponent i udviklingen og produktionen af avancerede nanomaterialer såsom nanokompositter, forstærkede polymerer osv. og anvendes derfor i de mest avancerede teknologier. CNT’er udviser meget høj trækstyrke, overlegne varmeoverføringsegenskaber, små båndgab og optimal kemisk og fysisk stabilitet, hvilket gør nanorør til et lovende tilsætningsstof til mange forskellige materialer.
Afhængigt af deres struktur opdeles CNTS i enkeltvæggede kulstofnanorør (SWNT’er), dobbeltvæggede kulstofnanorør (DWCNT’er) og flervæggede kulstofnanorør (MWNT’er).
SWNT’er er hule, lange cylindriske rør med en kulstofvæg, der er ét atom tyk. Det atomare lag af kulstofatomer er arrangeret i et bikagegitter. De sammenlignes ofte begrebsmæssigt med sammenrullede ark af enkeltlagsgrafit eller grafen.
DWCNT’er består af to enkeltvæggede nanorør, hvor det ene er indlejret i det andet.
MWNT’er er en form for CNT, hvor flere enkeltvæggede kulstofnanorør er indlejret i hinanden. Da deres diameter ligger mellem 3–30 nm, og de kan blive flere cm lange, kan deres længde-diameter-forhold variere mellem 10 og ti millioner. Sammenlignet med kulstofnanofibre har MWNT’er en anden vægstruktur, en mindre ydre diameter og et hult indre. Almindeligt anvendte industrielt tilgængelige typer af MWNT’er er f.eks. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 og FutureCarbon CNT-MW.
Syntese af CNT’er: CNT’er kan fremstilles ved en plasmabaseret syntesemetode eller en fordampningsmetode med lysbueudladning, en laserablationsmetode, en termisk synteseproces, kemisk dampaflejring (CVD) eller plasmaforstærket kemisk dampaflejring.
Funktionalisering af CNT’er: For at forbedre kulstofnanorørs egenskaber og dermed gøre dem mere egnede til en specifik anvendelse funktionaliseres CNT’er ofte, f.eks. ved at tilføje carboxylsyregrupper (-COOH) eller hydroxylgrupper (-OH).

Tilsætningsstoffer til dispergering af CNT’er

Nogle få opløsningsmidler såsom supersyrer, ioniske væsker og N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone kan bruges til at fremstille relativt højkoncentrerede dispersioner af CNT’er, mens de mest almindelige opløsningsmidler til nanorør, såsom N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), dimethylformamid (DMF) og 1,2-dichrolobenzene, kun kan dispergere nanorør ved meget lave koncentrationer (f.eks. typisk <0,02 wt% enkeltvæggede CNT’er). De mest almindelige dispergeringsmidler er polyvinylpyrrolidon (PVP), natriumdodecylbenzensulfonat (SDBS), Triton 100 eller natriumdodecylsulfonat (SDS).
Cresoler er en gruppe industrikemikalier, der kan bruges til at behandle CNT’er ved koncentrationer på op til adskillige titals vægtprocent, hvilket medfører en kontinuerlig overgang fra fortyndede dispersioner, tykke pastaer og fritstående geler til en hidtil uset tilstand, der minder om modellervoks, efterhånden som CNT-indholdet stiger. Disse tilstande udviser polymerlignende reologiske og viskoelastiske egenskaber, som ikke kan opnås med andre almindelige opløsningsmidler, hvilket tyder på, at nanorørene faktisk er deaggregerede og fint dispergerede i cresoler. Cresoler kan fjernes efter behandlingen ved opvarmning eller vask uden at ændre CNT’ernes overflade. [Chiou et al. 2018]

Anvendelser af CNT-dispersioner

For at udnytte fordelene ved CNT’er skal de dispergeres i en væske såsom en polymer. Jævnt dispergerede CNT’er anvendes til fremstilling af elektrisk ledende plast, flydende krystalskærme, organiske lysdioder, berøringsskærme, fleksible skærme, solceller, elektrisk ledende trykfarver, materialer til kontrol af statisk elektricitet, herunder film, skum, fibre og tekstiler, polymerbelægninger og klæbemidler, højtydende polymerkompositter med enestående mekanisk styrke og sejhed, polymer/CNT-kompositfibre samt lette og antistatiske materialer.

Hvilke former findes kulstof i?
Kulstof findes i flere allotrope former, herunder:

• Krystallinske former: Diamant, grafit, grafen, kulstofnanorør (CNT’er), fullerener (f.eks. C₆₀).
• Amorfe former: Trækul, sod, carbon black, glasagtigt kulstof, diamantlignende kulstof (DLC), amorft kulstof i ét lag (MAC).
• Hybride nanostrukturer: Nanodiamanter, kulstofløg, kulstofaerogeler og kompositter såsom nanokulstof-metal-hybrider.

Hver form udviser særlige fysisk-kemiske egenskaber, der er relevante for anvendelser inden for materialevidenskab, elektronik og energilagring.