Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) mit Ultraschall

Kohlenstoffnanoröhren sind fest und flexibel, weisen jedoch starke Kohäsionskräfte auf. Sie lassen sich nur schwer in Flüssigkeiten wie Wasser, Ethanol, Öl, Polymeren oder Epoxidharz dispergieren. Ultraschall ist eine wirksame Methode, um diskrete – einzeln dispergierte – Kohlenstoffnanoröhren zu erhalten.

Kohlenstoffnanoröhren (CNT) werden in Klebstoffen, Beschichtungen und Polymeren sowie als elektrisch leitfähige Füllstoffe in Kunststoffen eingesetzt, um statische Aufladungen in elektrischen Geräten und in elektrostatisch lackierbaren Automobilkarosserieteilen abzuleiten. Durch den Einsatz von Nanoröhren lassen sich Polymere widerstandsfähiger gegen Temperaturen, aggressive Chemikalien, korrosive Umgebungen, extreme Drücke und Abrieb machen. Es gibt zwei Kategorien von Kohlenstoffnanoröhren: einwandige Nanoröhren (SWNT) und mehrwandige Nanoröhren (MWNT).

Kohlenstoffnanoröhren sind in der Regel als Trockenmaterial erhältlich, beispielsweise von Unternehmen wie SES Research oder CNT Co., Ltd. Um das Potenzial der Nanoröhren vollständig auszuschöpfen, ist ein einfaches, zuverlässiges und skalierbares Verfahren zur Deagglomeration erforderlich. Bei Flüssigkeiten mit einer Viskosität von bis zu 100.000 cP (einhunderttausend Centipoise) ist Ultraschall eine sehr wirksame Technologie zum Dispergieren von Nanoröhren in Wasser, Öl oder Polymeren bei niedrigen oder hohen Konzentrationen. Die durch Ultraschallkavitation entstehenden Flüssigkeitsstrahlen überwinden die Bindungskräfte zwischen den Nanoröhren und trennen diese voneinander. Aufgrund der durch Ultraschall erzeugten Scherkräfte und Mikroturbulenzen kann Ultraschall auch die Oberflächenbeschichtung und die chemische Reaktion von Nanoröhren mit anderen Materialien unterstützen.

In der Regel wird zunächst eine grobe Nanoröhrendispersion mit einem herkömmlichen Rührwerk vorgemischt und anschließend im Ultraschall-Durchflusszellenreaktor homogenisiert. Das folgende Video zeigt einen Laborversuch (chargenweise Beschallung mit einem UP400S), bei dem mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren in niedriger Konzentration in Wasser dispergiert werden. Aufgrund der chemischen Eigenschaften von Kohlenstoff lassen sich Nanoröhren in Wasser nur schwer dispergieren. Wie im Video gezeigt, lässt sich leicht nachweisen, dass die Ultraschallbehandlung Nanoröhren wirksam dispergieren kann.

Ultraschalldispergierung von Kohlenstoffnanoröhren: Das Hielscher Ultraschallgerät UP400S (400W) dispergiert und entwirrt CNTs schnell und effizient zu einzelnen Nanoröhren.

Dispergieren einzelner SWNT mit großer Länge

Ein wesentliches Problem bei der Verarbeitung und Handhabung von SWNT ist die grundsätzliche Unlöslichkeit der Röhren in gängigen organischen Lösungsmitteln und Wasser. Die Funktionalisierung der Seitenwand oder der offenen Enden der Nanoröhren zur Schaffung einer geeigneten Grenzfläche zwischen den SWNT und dem Lösungsmittel führt meist nur zu einer teilweisen Aufspaltung der seilartigen SWNT-Bündel.
Daher werden SWNT in der Regel als Bündel und nicht als vollständig isolierte Einzelobjekte dispergiert. Unter zu aggressiven Dispergierbedingungen werden die SWNT auf Längen zwischen 80 und 200 nm verkürzt. Obwohl dies für bestimmte Versuche nützlich ist, ist diese Länge für die meisten praktischen Anwendungen, etwa als halbleitende oder verstärkende SWNT, zu gering. Eine kontrollierte, milde Ultraschallbehandlung (beispielsweise mit dem UP200Ht mit 40 mm großer Sonotrode) ist ein wirksames Verfahren zur Herstellung wässriger Dispersionen langer, einzelner SWNT. Sequenzen milder Ultraschallbehandlung minimieren die Verkürzung und ermöglichen einen größtmöglichen Erhalt der strukturellen und elektronischen Eigenschaften.

Reinigung von SWNT durch polymerunterstützte Ultraschallbehandlung

Die chemische Modifikation von SWNT auf molekularer Ebene ist schwer zu untersuchen, da sich reine SWNT nur schwer gewinnen lassen. SWNT enthalten unmittelbar nach ihrer Herstellung zahlreiche Verunreinigungen wie Metallpartikel und amorphen Kohlenstoff. Die Ultraschallbehandlung von SWNT in einer Lösung von Polymethylmethacrylat (PMMA) in Monochlorbenzol (MCB) mit anschließender Filtration ist ein wirksames Verfahren zur Reinigung von SWNT. Mit dieser polymerunterstützten Reinigungsmethode lassen sich Verunreinigungen aus den unmittelbar nach der Herstellung vorliegenden SWNT wirksam entfernen. (Yudasaka et al.) Eine präzise Regelung der Ultraschallamplitude ermöglicht es, Schäden an den SWNT zu begrenzen.

Hielscher bietet ein breites Sortiment an Ultraschallgeräten und Zubehör zum effizienten Dispergieren von Nanoröhren.

• Kompakte Laborgeräte mit bis zu 400 Watt Ultraschallleistung zum Dispergieren in kleineren Volumina von bis zu 2 Litern
• UIP500hdT, UIP1000hdT und UIP1500hdT sind Ultraschallprozessoren, die größere Volumina verarbeiten können.
• Ultraschallsysteme mit 2 kW (UIP2000hdT) und 4 kW (UIP4000hdT) können zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhren im Produktionsmaßstab eingesetzt werden. Der UIP10000 (10 Kilowatt) und der UIP16000 (16 Kilowatt) können in Gruppen aus mehreren Einzelgeräten zur Verarbeitung von Kohlenstoffnanoröhren im Großmaßstab 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.