Ultraschall-Dispergieren von Carbon Nanotubes (CNT)

Kohlenstoff-Nanoröhrchen (carbon nanotubes, CNTs) sind für ihre Festigkeit und Flexibität geschätzt. Allerdings verhalten sie sich sehr kohäsiv und lasssen sich daher nur schwer in Flüssigkeiten wie Wasser, Ethanol, Öl, Polymer oder Epoxidharz dispergieren. Ultraschall ist eine wirksame Methode zur Herstellung gleichmäßig fein – einzeln dispergierter – Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Kohlenstoff-Nanoröhren ( auch CNT, englisch carbon nanotubes genannt) werden in Klebstoffen, Beschichtungen und Polymeren sowie als elektrisch leitfähige Füllstoffe in Kunststoffen verwendet, um statische Aufladungen in elektrischen Geräten und in elektrostatisch lackierbaren Automobilkarosserieteilen abzuleiten. Durch den Einsatz von Nanoröhren können Polymere widerstandsfähiger gegen Temperaturen, aggressive Chemikalien, korrosive Umgebungen, extremen Druck und Abrieb gemacht werden. Es gibt zwei Kategorien von Kohlenstoff-Nanoröhren: Einwandige Nanoröhren (single-walled nanotubes, SWNT) und mehrwandige Nanoröhren (multi-walled nanotubes, MWNT).

Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind im Allgemeinen als Trockenmaterial erhältlich, z. B. von Unternehmen wie SES Research oder CNT Co. Ltd. Es wird ein einfaches, zuverlässiges und skalierbares Verfahren zur Deagglomeration benötigt, um das Potenzial der Nanotubes voll auszuschöpfen. Für Flüssigkeiten mit bis zu 100.000 cP ist Ultraschall eine sehr effektive Technologie zur Dispergierung der Nanotubes in Wasser, Öl oder Polymeren in niedrigen oder hohen Konzentrationen. Durch die Flüssigkeitsströme, die durch Ultraschallkavitationwerden die Bindungskräfte zwischen den Nanotubes überwunden, so dass die Tubes fin dispergiert werden. Aufgrund der mit Ultraschall erzeugten Scherkräfte und Mikroturbulenzen kann Ultraschall auch bei der Oberflächenbeschichtung und chemischen Reaktion von Nanoröhrchen mit anderen Materialien helfen.

Für die Herstellung von CNT-Dispersionen wird meist eine grobe Nanotubes -Dispersion mit einem Standardrührer vorgemischt und dann im Ultraschall-Durchflussreaktor homogenisiert. Das folgende Video zeigt die ultraschall-gestützte CNT-Dispersion im Labor (Batch-Beschallung mit einem UP400S). Mittels Ultraschall werden mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren in Wasser bei niedriger Konzentration dispergiert. Aufgrund der chemischen Beschaffenheit von Kohlenstoff gilt das Dispergierverhalten von Nanoröhren in Wasser als schwierig. Wie im Video zu sehen ist, können die Kohlenstoff-Nanoröhren mit Hilfe von Ultraschall effizient und schnell dispergiert werden.

Dispersion einzelner SWNTs mit hohem Aspektverhältnis

Die inhärente Unlöslichkeit von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (Single-Walles Nanotubes, SWNTs) stellt ein großes Problem bei der Verarbeitung und Funktionalisierung der SWNTs dar. Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren lassen sich nur äußerst schwer in gängige organische Lösungsmittel und Wasser einmischen. Die Funktionalisierung der Seitenwand oder der offenen Enden der Nanoröhren, um eine geeignete Schnittstelle zwischen den SWNT und dem Lösungsmittel zu schaffen, führt meist nur zu einer teilweisen Exfoliation der SWNTs.
Dementsprechend werden SWNTs in der Regel als Bündel und nicht als vollständig isolierte Einzel-Tubes dispergiert. Wenn während der Dispersion zu harsche Bedingungen herrschen, werden die SWNT auf Längen zwischen 80 und 200 nm verkürzt. Obwohl dies für bestimmte Zwecke nützlich sein kann, ist diese Länge für die meisten praktischen Anwendungen, wie z. B. halbleitende oder verstärkende SWNTs, zu gering. Eine kontrollierte, milde Ultraschallbehandlung (z. B. mit dem UP200Ht mit 40mm-Sonotrode) ist ein wirksames Verfahren zur Herstellung wässriger Dispersionen langer einzelner SWNTs (hohes Aspektverhältnis). Sequenzen einer milden Ultraschallbehandlung minimieren die Verkürzung der Nanotubes und ermöglichen die maximale Erhaltung der strukturellen und elektronischen Eigenschaften.

Reinigung von SWNTs durch Polymer-gestützter Beschallung

Es ist schwierig, die chemische Veränderung von SWNTs auf molekularer Ebene zu untersuchen, da es nur bedingt möglich ist, reine SWNTs zu erhalten. Je nach Herstellungsvergfahren und Ausgangsmaterial enthalten SWNTs oftmals zahlreiche Verunreinigungen wie Metallpartikel und amorphe Kohlenstoffe. Die Ultraschallbehandlung von SWNTs in einer Monochlorbenzol (MCB)-Lösung mit Poly(methylmethacrylat) PMMA und anschließender Filtration ist eine wirksame Methode zur Reinigung von SWNTs. Mit dieser polymergestützten Ultraschall-Reinigungsmethode lassen sich Verunreinigungen aus SWNTs wirksam entfernen. (Yudasaka et al.) Die genaue Steuerung der Ultraschallamplitude ermöglicht es, Schäden an den SWNTs zu minimieren.

Hielscher's breite Palette von Ultraschallgeräten und Zubehör für das effiziente Dispergieren von Nanoröhren:

• Kompakte Laborgeräte mit bis zu 400 Watt Ultraschalleistung für das Dispergieren in kleineren Volumina bis zu 2 Litern
• UIP500hdT, UIP1000hdT und UIP1500hdT sind Ultraschallprozessoren, die größere Mengen verarbeiten können.
• Ultraschall-Systeme mit 2kW (UIP2000hdT) und 4kW (UIP4000hdT) können für die Dispergierung von Kohlenstoffnanoröhren im Produktionsmaßstab verwendet werden. Der UIP10000 (10 Kilowatt) und UIP16000 (16 Kilowatt) können in Clustern aus mehreren einzelnen Einheiten für die großtechnische Verarbeitung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingesetzt werden.“

Literatur

• 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.