Gleichmäßig dispergierte CNTs durch Ultraschallbehandlung
Um die außergewöhnlichen funktionellen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) zu nutzen, müssen sie homogen dispergiert werden.
Ultraschalldispergierer sind die am häufigsten eingesetzten Geräte, um CNTs in wässrigen und lösungsmittelbasierten Suspensionen zu verteilen.
Die Ultraschalldispergiertechnologie erzeugt ausreichend hohe Scherenergie, um CNTs vollständig voneinander zu trennen, ohne sie zu beschädigen.
Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhren mit Ultraschall
Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) haben ein sehr hohes Aspektverhältnis und weisen eine geringe Dichte sowie eine enorme spezifische Oberfläche (mehrere hundert m2/g) auf. Dies verleiht ihnen einzigartige Eigenschaften wie eine sehr hohe Zugfestigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit sowie eine sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Aufgrund von Van-der-Waals-Kräften, durch die sich die einzelnen Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) gegenseitig anziehen, ordnen sich CNTs normalerweise in Bündeln oder Knäueln an. Diese intermolekularen Anziehungskräfte beruhen auf einem Stapelungsphänomen der π-Bindungen benachbarter Nanoröhren, das als π-Stapelung bekannt ist. Um die Vorteile von Kohlenstoffnanoröhren vollständig zu nutzen, müssen diese Agglomerate entwirrt und die CNTs gleichmäßig in einer homogenen Dispersion verteilt werden. Intensive Ultraschallbehandlung erzeugt akustische Kavitation in Flüssigkeiten. Die dabei entstehenden lokalen Scherspannungen brechen CNT-Aggregate auf und dispergieren sie gleichmäßig in einer homogenen Suspension. Die Ultraschalldispergiertechnologie erzeugt ausreichend hohe Scherenergie, um CNTs vollständig voneinander zu trennen, ohne sie zu beschädigen. Selbst bei empfindlichen SWNTs wird die Beschallung erfolgreich eingesetzt, um sie einzeln zu entwirren. Die Ultraschallbehandlung erzeugt gerade die mechanische Beanspruchung, die ausreicht, um SWNT-Aggregate zu trennen, ohne dabei viele Brüche an einzelnen Nanoröhren zu verursachen (Huang, Terentjev 2012).
- Einzeln dispergierte CNTs
- Homogene Verteilung
- Hohe Dispergiereffizienz
- Hohe CNT-Gehalte
- Keine Degradation der CNTs
- Schnelle Verarbeitung
- Präzise Prozesssteuerung
UIP2000hdT – leistungsstarkes 2kW-Ultraschallgerät für CNT-Dispersionen
Hochleistungs-Ultraschallsysteme für CNT-Dispersionen
Hielscher Ultrasonics liefert leistungsstarke und zuverlässige Ultraschallgeräte zur effizienten Dispergierung von CNTs. Ob Sie kleine CNT-Proben für die Analytik sowie Forschung und Entwicklung vorbereiten oder große industrielle Chargen von Dispersionen herstellen müssen – das Produktsortiment von Hielscher bietet das ideale Ultraschallsystem für Ihre Anforderungen. Von 50W-Ultraschallgeräten für das Labor bis hin zu industriellen 16kW-Ultraschallanlagen für die kommerzielle Herstellung bietet Hielscher Ultrasonics die passende Lösung.
Um hochwertige Kohlenstoffnanoröhren-Dispersionen herzustellen, müssen die Prozessparameter gut kontrolliert werden. Amplitude, Temperatur, Druck und Verweilzeit sind die wichtigsten Parameter für eine gleichmäßige CNT-Verteilung. Die Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen nicht nur die präzise Steuerung jedes einzelnen Parameters: Alle Prozessparameter werden automatisch auf der integrierten SD-Karte der digitalen Ultraschallsysteme von Hielscher aufgezeichnet. Die Protokollierung jedes Beschallungsprozesses trägt dazu bei, reproduzierbare Ergebnisse und eine gleichbleibende Qualität sicherzustellen. Über die browserbasierte Fernsteuerung kann der Anwender das Ultraschallgerät bedienen und überwachen, ohne sich am Standort des Ultraschallsystems aufzuhalten.
Da einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs) und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWNTs) sowie das gewählte wässrige oder lösungsmittelbasierte Medium spezifische Behandlungsintensitäten erfordern, ist die Ultraschallamplitude ein entscheidender Faktor für das Endprodukt. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sowohl sehr hohe als auch sehr niedrige Amplituden erzeugen. Ermitteln Sie die ideale Amplitude für Ihre Prozessanforderungen. Selbst Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb einsetzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Unsere Kunden sind mit der herausragenden Robustheit und Zuverlässigkeit der Systeme von Hielscher Ultrasonics zufrieden. Der Einsatz in Anwendungen mit hoher Belastung, in anspruchsvollen Umgebungen und im 24/7-Betrieb gewährleistet eine effiziente und wirtschaftliche Verarbeitung. Die Prozessintensivierung durch Ultraschall verkürzt die Verarbeitungszeit und erzielt bessere Ergebnisse, das heißt höhere Qualität, höhere Ausbeuten und innovative Produkte.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 0,5 bis 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
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Leistungsstarke Ultraschallprozessoren vom Labor- über den Technikums- bis zum Industriemaßstab.
Literatur / Quellen
- SOP – Ultrasonic Dispersion of Multi-Walled Carbon-Nanotubes using the UP400ST Sonicator – Hielscher Ultrasonics
- Biver T.; Criscitiello F.; Di Francesco F.; Minichino M.; Swager T.; Pucci A. (2015): MWCNT/Perylene bisimide Water Dispersions for Miniaturized Temperature Sensors. RSC Advances 5: 2015. 65023–65029.
- Chiou K.; Byun S.; Kim J.; Huang J. (2018): Additive-free carbon nanotube dispersions, pastes, gels, and doughs in cresols. PNAS Vol. 115, No. 22, 2018. 5703–5708.
- Huang, Y.Y:; Terentjev E.M. (2012): Dispersion of Carbon Nanotubes: Mixing, Sonication, Stabilization, and Composite Properties. Polymers 2012, 4, 275-295.
- Krause B.; Mende M.; Petzold G.; Pötschke P. (2010): Characterization on carbon nanotubes’ dispersability using centrifugal sedimentation analysis in aqueous surfactant dispersions. Conference paper ANTEC 2010, Orlando, USA, May 16-20 2010.
- Paredes J.I.; Burghard M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length. Langmuir 2004, 20, 5149-5152.
- Santos A.; Amorim L.; Nunes J.P.; Rocha L.A.; Ferreira Silva A.; Viana J.C. (2019): A Comparative Study between Knocked-Down Aligned Carbon Nanotubes and Buckypaper-Based Strain Sensors. Materials 2019, 12, 2013.
- Szelag M. (2017): Mechano-Physical Properties and Microstructure of Carbon Nanotube Reinforced Cement Paste after Thermal Load. Nanomaterials 7(9), 2017. 267.
Wissenswertes
Was sind Kohlenstoffnanoröhren?
Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) gehören zu einer besonderen Klasse eindimensionaler Kohlenstoffmaterialien mit außergewöhnlichen mechanischen, elektrischen, thermischen und optischen Eigenschaften. Sie sind ein wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung und Herstellung fortschrittlicher Nanomaterialien wie Nanokompositen, verstärkten Polymeren usw. und werden daher in modernsten Technologien eingesetzt. CNTs weisen eine sehr hohe Zugfestigkeit, hervorragende Wärmeübertragungseigenschaften, kleine Bandlücken sowie eine optimale chemische und physikalische Stabilität auf. Dies macht Nanoröhren zu einem vielversprechenden Zusatzstoff für verschiedenste Materialien.
Je nach ihrer Struktur werden CNTs in einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs), doppelwandige Kohlenstoffnanoröhren (DWCNTs) und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWNTs) unterteilt.
SWNTs sind hohle, lange zylindrische Röhren mit einer Kohlenstoffwand, die ein Atom dick ist. Die atomare Kohlenstoffschicht ist in einem Wabengitter angeordnet. Zur Veranschaulichung werden sie häufig mit aufgerollten Schichten aus einlagigem Graphit oder Graphen verglichen.
DWCNTs bestehen aus zwei einwandigen Nanoröhren, von denen eine in der anderen liegt.
MWNTs sind eine CNT-Form, bei der mehrere einwandige Kohlenstoffnanoröhren ineinander verschachtelt sind. Da ihr Durchmesser im Bereich von 3–30 nm liegt und sie mehrere cm lang werden können, kann ihr Aspektverhältnis zwischen 10 und zehn Millionen variieren. Im Vergleich zu Kohlenstoffnanofasern haben MWNTs eine andere Wandstruktur, einen kleineren Außendurchmesser und einen hohlen Innenraum. Häufig verwendete industriell erhältliche MWNT-Typen sind z. B. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 und FutureCarbon CNT-MW.
Synthese von CNTs: CNTs können durch plasmabasierte Synthese, Lichtbogenverdampfung, Laserablation, thermische Synthese, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung hergestellt werden.
Funktionalisierung von CNTs: Um die Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren zu verbessern und sie dadurch für eine bestimmte Anwendung besser geeignet zu machen, werden CNTs häufig funktionalisiert, z. B. durch das Anbringen von Carboxylgruppen (-COOH) oder Hydroxylgruppen (-OH).
Additive zur CNT-Dispergierung
Einige wenige Lösungsmittel wie Supersäuren, ionische Flüssigkeiten und N-Cyclohexyl-2-pyrrolidon ermöglichen die Herstellung relativ hochkonzentrierter CNT-Dispersionen. Die gängigsten Lösungsmittel für Nanoröhren wie N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylformamid (DMF) und 1,2-Dichlorbenzol können Nanoröhren hingegen nur bei sehr niedrigen Konzentrationen dispergieren (z. B. typischerweise weniger als 0,02 Gew.-% einwandiger CNTs). Die gebräuchlichsten Dispergiermittel sind Polyvinylpyrrolidon (PVP), Natriumdodecylbenzolsulfonat (SDBS), Triton 100 oder Natriumdodecylsulfonat (SDS).
Kresole sind eine Gruppe von Industriechemikalien, mit denen sich CNTs bei Konzentrationen bis in den Bereich mehrerer zehn Gewichtsprozent verarbeiten lassen. Mit zunehmendem CNT-Gehalt ergibt sich dabei ein kontinuierlicher Übergang von verdünnten Dispersionen über dicke Pasten und selbsttragende Gele bis hin zu einem bislang unerreichten, knetmassenartigen Zustand. Diese Zustände weisen polymerähnliche rheologische und viskoelastische Eigenschaften auf, die mit anderen gängigen Lösungsmitteln nicht erreichbar sind. Dies deutet darauf hin, dass die Nanoröhren in Kresolen tatsächlich desaggregiert und fein dispergiert vorliegen. Kresole können nach der Verarbeitung durch Erhitzen oder Waschen entfernt werden, ohne die Oberfläche der CNTs zu verändern. [Chiou et al. 2018]
Anwendungen von CNT-Dispersionen
Um die Vorteile von CNTs zu nutzen, müssen sie in einer Flüssigkeit wie einem Polymer dispergiert werden. Gleichmäßig dispergierte CNTs werden zur Herstellung von leitfähigen Kunststoffen, Flüssigkristallanzeigen, organischen Leuchtdioden, Touchscreens, flexiblen Displays, Solarzellen, leitfähigen Tinten, Materialien zur Kontrolle elektrostatischer Aufladung einschließlich Folien, Schäumen, Fasern und Geweben, Polymerbeschichtungen und Klebstoffen, Hochleistungs-Polymerkompositen mit außergewöhnlicher mechanischer Festigkeit und Zähigkeit, Polymer/CNT-Verbundfasern sowie leichten und antistatischen Materialien verwendet.
Welche Formen von Kohlenstoff gibt es?
Kohlenstoff kommt in mehreren allotropen Formen vor, darunter:
- Kristalline Formen: Diamant, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Fullerene (z. B. C₆₀).
- Amorphe Formen: Holzkohle, Ruß, Industrieruß, Glaskohlenstoff, diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC), einlagiger amorpher Kohlenstoff (MAC).
- Hybride Nanostrukturen: Nanodiamanten, Kohlenstoffzwiebeln, Kohlenstoffaerogele und Verbundwerkstoffe wie Nanokohlenstoff-Metall-Hybride.
Jede Form weist spezifische physikochemische Eigenschaften auf, die für Anwendungen in der Materialwissenschaft, Elektronik und Energiespeicherung relevant sind.