Hielscher Ultraschalltechnik

Gleichmäßig dispergierte CNTs durch Ultraschall

Um die außergewöhnlichen Funktionalitäten von Carbon Nanotubes (CNTs) zu nutzen, müssen sie homogen verteilt sein.
Ultraschalldispergierer sind das gebräuchlichste Werkzeug zur Verteilung von CNTs in wässrige und lösemittelhaltige Suspensionen.
Die Ultraschalldispergiertechnologie erzeugt eine ausreichend hohe Scherenergie, um eine vollständige Trennung der CNTs zu erreichen, ohne sie zu beschädigen.

Ultraschall-Dispergieren von Carbonnanotubes

Leistungsstarke Sondierung mit einem Sonden-Ultraschallgerät. (Zum Vergrößern anklicken!)Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) haben ein sehr hohes Aspektverhältnis und weisen eine geringe Dichte sowie eine enorme Oberfläche (mehrere hundert m2/g) auf, was ihnen einzigartige Eigenschaften wie sehr hohe Zugfestigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit sowie eine sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit verleiht. Aufgrund der Kräfte von Van der Waals, die die einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) gegeneinander anziehen, ordnen sich CNTs normalerweise in Bündeln oder Strängen an. Diese intermolekularen Anziehungskräfte basieren auf einem π-Bond-Stacking-Phänomen zwischen benachbarten Nanoröhren, dem so genannten π-Stacking. Um den vollen Nutzen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu ziehen, müssen diese Agglomerate entwirrt und die CNTs gleichmäßig in einer homogenen Dispersion verteilt werden. Intensiver Ultraschall erzeugt akustische Kavitation in Flüssigkeiten. Die dadurch erzeugte lokale Schubspannung bricht CNT-Aggregate und verteilt sie gleichmäßig in einer homogenen Suspension. Die Ultraschalldispergiertechnologie erzeugt eine ausreichend hohe Scherenergie, um eine vollständige Trennung der CNTs zu erreichen, ohne sie zu beschädigen. Selbst für die empfindlichen SWNTs wird die Sondierung erfolgreich eingesetzt, um sie individuell zu entwirren. Die Ultraschalltechnik liefert gerade ein ausreichendes Spannungsniveau, um die SWNT-Aggregate zu trennen, ohne einzelne Nanoröhrchen stark zu brechen (Huang, Terentjev 2012).

Vorteile der Ultraschall-CNT-Dispersion

  • Einzeldispergierte CNTs
  • Homogene Verteilung
  • Hoher Dispersionswirkungsgrad
  • Hohe CNT-Belastungen
  • Kein CNT-Abbau
  • schnelle Verarbeitung
  • präzise Prozesssteuerung
UIP2000hdT - 2kW Ultraschall für Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Dispersionen.

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Leistungsstarke Ultraschallsysteme für CNT-Dispersionen

Hielscher Ultrasonics liefert leistungsstarke und zuverlässige Ultraschallgeräte für die effiziente Dispersion von CNTs. Ob Sie kleine CNT-Proben für die Analyse und R&D oder Sie müssen große Industriechargen von Schüttgutdispersionen herstellen, das Produktprogramm von Hielscher bietet für Ihre Anforderungen das ideale Ultraschallsystem. Von 50W Ultraschallgeräte für Labor bis zu 16kW industrielle Ultraschallgeräte für die kommerzielle Fertigung, Hielscher Ultrasonics hat Sie abgedeckt.
Um hochwertige Kohlenstoff-Nanoröhrendispersionen herzustellen, müssen die Prozessparameter gut gesteuert werden. Amplitude, Temperatur, Druck und Verweildauer sind die wichtigsten Parameter für eine gleichmäßige CNT-Verteilung. Die Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen nicht nur die präzise Steuerung der einzelnen Parameter, sondern erfassen alle Prozessparameter automatisch auf der integrierten SD-Karte der digitalen Ultraschallsysteme von Hielscher. Das Protokoll jedes Ultraschallprozesses trägt dazu bei, reproduzierbare Ergebnisse und gleichbleibende Qualität zu gewährleisten. Über die Browser-Fernbedienung kann der Benutzer das Ultraschallgerät bedienen und überwachen, ohne sich am Standort des Ultraschallsystems aufzuhalten.
Da einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (SWNTs) und mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MWNTs) sowie das ausgewählte wässrige oder lösliche Medium spezifische Verarbeitungsintensitäten erfordern, ist die Ultraschallamplitude ein Schlüsselfaktor für das Endprodukt. Hielscher Ultraschallgeräte‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sowohl sehr große als auch sehr kleine Amplituden liefern. Ermitteln Sie die ideale Amplitude für Ihre Prozessanforderungen. Selbst Amplituden von bis zu 200µm können im 24/7-Betrieb problemlos im Dauerbetrieb betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Unsere Kunden sind von der herausragenden Robustheit und Zuverlässigkeit der Systeme von Hielscher Ultrasonic überzeugt. Die Installation in den Bereichen Heavy-Duty-Anwendungen, anspruchsvolle Umgebungen und der 24/7-Betrieb sorgen für eine effiziente und wirtschaftliche Verarbeitung. Die Intensivierung des Ultraschallprozesses verkürzt die Verarbeitungszeit und erzielt bessere Ergebnisse, d.h. höhere Qualität, höhere Ausbeute, innovative Produkte.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
0,5 bis 1,5 ml 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. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallgeräte für sonochemische Anwendungen her.

Leistungsstarke Ultraschallprozessoren vom Labor- über den Pilot- bis zum industriellen Maßstab.

Literatur

  • 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

Carbon Nanotubes

Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) gehören zu einer speziellen Klasse von eindimensionalen Kohlenstoffmaterialien, die außergewöhnliche mechanische, elektrische, thermische und optische Eigenschaften aufweisen. Sie sind ein wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung und Produktion fortschrittlicher Nanomaterialien wie Nanokompositen, verstärkten Polymeren usw. und werden daher in modernsten Technologien eingesetzt. CNTs weisen eine sehr hohe Zugfestigkeit, überlegene Wärmeübertragungseigenschaften, niedrige Bandabstände und optimale chemische und physikalische Stabilität auf, was Nanoröhrchen zu einem vielversprechenden Additiv für vielfältige Materialien macht.
Je nach Struktur werden CNTS in einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (SWNTs), doppelwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (DWCNTs) und mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MWNTs) unterteilt.
SWNTs sind hohle, lange zylindrische Rohre, die aus einer einatomigen Kohlenstoffwand bestehen. Das Atomblatt der Kohlenstoffe ist in einem Wabengitter angeordnet. Oft werden sie konzeptionell mit aufgerollten Platten aus einschichtigem Graphit oder Graphen verglichen.
DWCNTs bestehen aus zwei einwandigen Nanoröhren, von denen eine ineinander verschachtelt ist.
MWNTs sind eine CNT-Form, bei der mehrere einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen ineinander verschachtelt sind. Da ihr Durchmesser zwischen 3-30 nm liegt und sie mehrere cm lang werden können, kann ihr Seitenverhältnis zwischen 10 und zehn Millionen variieren. Im Vergleich zu Kohlenstoff-Nanofasern weisen MWNTs eine andere Wandstruktur, einen kleineren Außendurchmesser und einen hohlen Innenraum auf. Gängige industriell verfügbare Typen von MWNTs sind z.B. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 und FutureCarbon CNT-MW.
Synthese von CNTs: CNTs können durch plasmabasierte Synthesemethoden oder Bogenentladungsverdampfungsverfahren, Laserablationsverfahren, thermische Syntheseverfahren, chemische Dampfabscheidung (CVD) oder plasmagestützte chemische Dampfabscheidung hergestellt werden.
Funktionalisierung von CNTs: Um die Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu verbessern und sie damit für eine bestimmte Anwendung besser geeignet zu machen, werden CNTs oft funktionalisiert, z.B. durch Zugabe von Carbonsäure- (-COOH) oder Hydroxylgruppen (-OH).

CNT-Dispergieradditive

Einige wenige Lösungsmittel wie Supersäuren, ionische Flüssigkeiten und N-Cyclohexyl-2-pyrrolidnon sind in der Lage, relativ hochkonzentrierte Dispersionen von CNTs herzustellen, während die gebräuchlichsten Lösungsmittel für Nanoröhrchen wie N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylformamid (DMF) und 1,2-Dichrolobenzol Nanoröhrchen nur in sehr geringen Konzentrationen dispergieren können (z.B. typischerweise <0.02 wt% of single-walled CNTs). The most common dispersion agents are polyvinylpyrrolidone (PVP), Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate (SDBS), Triton 100, or Sodium Dodecyl Sulfonate (SDS). Cresols are a group of industrial chemicals which can process CNTs at concentrations up to tens of weight percent, resulting in a continuous transition from dilute dispersions, thick pastes, and free-standing gels to an unprecedented playdough-like state, as the CNT loading increases. These states exhibit polymer-like rheological and viscoelastic properties, which are not attainable with other common solvents, suggesting that the nanotubes are indeed disaggregated and finely dispersed in cresols. Cresols can be removed after processing by heating or washing, without altering the surface of CNTs. [Chiou et al. 2018]

Anwendungen von CNT-Dispersionen

Um die Vorteile von CNTs zu nutzen, müssen sie in einer Flüssigkeit wie beispielsweise einem Polymer dispergiert werden. Gleichmäßig dispergierte CNTs werden für die Herstellung von leitfähigen Kunststoffen, Flüssigkristallanzeigen, organischen Leuchtdioden, Touchscreens, flexiblen Displays, Solarzellen, leitfähigen Tinten, statischen Kontrollmaterialien, einschließlich Folien, Schäumen, Fasern und Geweben, Polymerbeschichtungen und -klebstoffen, Hochleistungs-Polymerverbundwerkstoffen mit außergewöhnlicher mechanischer Festigkeit und Zähigkeit, Polymer/CNT-Verbundfasern sowie leichten und antistatischen Materialien verwendet.