Uniform dispergierte CNTs mittels 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-Dispergierung von Carbon Nanotubes
Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) haben ein sehr hohes Aspektverhältnis und weisen eine geringe Dichte sowie eine enorme Oberfläche (mehrere hundert m2/g) auf, was ihnen einzigartige Eigenschaften wie eine sehr hohe Zugfestigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit sowie eine sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit verleiht. Aufgrund der Van-der-Waals-Kräfte, die die einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) zueinander anziehen, ordnen sich die CNTs normalerweise in Bündeln oder Strängen an. Diese intermolekularen Anziehungskräfte basieren auf einem π-Bindungs-Phänomen zwischen benachbarten Nanoröhren, das als π-Stapelung bekannt ist. Um den vollen Nutzen aus den Kohlenstoff-Nanoröhren zu ziehen, müssen diese Agglomerate entwirrt und die CNTs gleichmäßig in einer homogenen Verteilung verteilt werden. Intensiver Ultraschall erzeugt akustische Kavitation in Flüssigkeiten. Die dadurch erzeugte lokale Scherspannung bricht CNT-Aggregate auf und dispergiert sie gleichmäßig in einer homogenen Suspension. Die Ultraschalldispersionstechnologie erzeugt eine ausreichend hohe Scherenergie, um eine vollständige Trennung der CNTs zu erreichen, ohne sie zu beschädigen. Selbst bei den empfindlichen SWNTs wird die Beschallung erfolgreich angewendet, um sie individuell zu entwirren. Ultraschall liefert gerade ein ausreichendes Spannungsniveau, um die SWNT-Aggregate zu trennen, ohne dass einzelne Nanoröhren stark brechen (Huang, Terentjev 2012).
- Einzeldispergierte CNTs
- Homogene Verteilung
- Hohe Dispergiereffizienz
- Hoher CNT-Anteil
- Keine Beschädigung der CNTs
- Schnelle Verarbeitung
- Präzise Prozesssteuerung
UIP2000hdT – 2kW leistungsstarker Ultraschallprozessor für CNT-Dispersionen
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-Nanoröhrchen-Dispersionen herzustellen, müssen die Prozessparameter gut kontrolliert werden. Amplitude, Temperatur, Druck und Retentionszeit sind die kritischsten Parameter für eine gleichmäßige CNT-Verteilung. Die Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglichen nicht nur die präzise Kontrolle jedes einzelnen Parameters, alle Prozessparameter werden automatisch auf der integrierten SD-Karte der digitalen Ultraschallsysteme von Hielscher aufgezeichnet. Das Protokoll jedes Beschallungsvorgangs trägt dazu bei, reproduzierbare Ergebnisse und gleichbleibende Qualität zu gewährleisten. Über eine Browser-Fernsteuerung kann der Benutzer das Ultraschallgerät bedienen und überwachen, ohne sich am Standort des Ultraschallsystems zu befinden.
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 Ultraschallhomogenisatoren:
| 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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Literatur / Literaturhinweise
- 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 hoch konzentrierte Dispersionen von CNTs herzustellen, während die gebräuchlichsten Lösungsmittel für Nanoröhren, wie N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP), Dimethylformamid (DMF) und 1,2-Dichrolobenzol, Nanoröhren nur in sehr geringen Konzentrationen dispergieren können (z.B. typischerweise <0.02 Gew.-% einwandiger CNTs). Die gebräuchlichsten Dispersionsmittel sind Polyvinylpyrrolidon (PVP), Natriumdodecylbenzolsulfonat (SDBS), Triton 100 oder Natriumdodecylsulfonat (SDS).
Kresole sind eine Gruppe von Industriechemikalien, die CNTs in Konzentrationen von bis zu zehn Gewichtsprozent verarbeiten können, was zu einem kontinuierlichen Übergang von verdünnten Dispersionen, dicken Pasten und freistehenden Gelen in einen noch nie dagewesenen spielteigähnlichen Zustand führt, wenn die CNT-Belastung zunimmt. Diese Zustände weisen polymerähnliche rheologische und viskoelastische Eigenschaften auf, die mit anderen gängigen Lösungsmitteln nicht erreichbar sind, was darauf hindeutet, dass die Nanoröhren tatsächlich disaggregiert und in Kresolen fein dispergiert sind. 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 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.