Πώς να διασκορπίσετε νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος ξεχωριστά

Οι νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος (SWNTs ή SWCNTs) έχουν μοναδικά χαρακτηριστικά, αλλά για να τα εκφράσουν πρέπει να διασκορπιστούν ξεχωριστά. Για να αξιοποιηθούν πλήρως τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά των νανοσωλήνων άνθρακα μονού τοιχώματος, οι σωλήνες πρέπει να ξεμπερδευτούν πληρέστερα. Τα SWNTs όπως και άλλα νανοσωματίδια παρουσιάζουν πολύ υψηλές δυνάμεις έλξης, έτσι ώστε να απαιτείται μια ισχυρή και αποτελεσματική τεχνική για μια αξιόπιστη αποσυσσωμάτωση και διασπορά. Ενώ οι κοινές τεχνικές ανάμειξης δεν παρέχουν την ένταση που απαιτείται για να ξεμπερδέψουν τα SWNTs χωρίς να τα καταστρέψουν, οι υπέρηχοι υψηλής ισχύος έχουν αποδειχθεί ότι ξεμπερδεύουν και διασκορπίζουν τα SWCNTs. Οι υπερηχητικά παραγόμενες δυνάμεις διάτμησης σπηλαίωσης είναι αρκετά ισχυρές για να ξεπεράσουν τις δυνάμεις συγκόλλησης, ενώ η ένταση υπερήχων μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια για να αποφευχθεί η βλάβη των SWCNTs.

Πρόβλημα:

Οι νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος (SWCNTs) διαφέρουν από τους νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (MWNTs / MWCNTs) από τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Το χάσμα ζώνης των SWCNTs μπορεί να κυμαίνεται από μηδέν έως 2 eV και η ηλεκτρική αγωγιμότητά τους χαρακτηρίζεται από μεταλλική ή ημιαγώγιμη συμπεριφορά. Καθώς οι νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος είναι εξαιρετικά συνεκτικοί, ένα από τα σημαντικότερα εμπόδια στην επεξεργασία των SWCNTs είναι η εγγενής αδιαλυτότητα των σωλήνων σε οργανικούς διαλύτες ή νερό. Για να αξιοποιηθεί πλήρως το δυναμικό των SWCNTs, απαιτείται μια απλή, αξιόπιστη και κλιμακούμενη διαδικασία αποσυσσωμάτωσης των σωλήνων. Ειδικά, η λειτουργικότητα των πλευρικών τοιχωμάτων CNT ή των ανοιχτών άκρων για τη δημιουργία κατάλληλης διεπαφής μεταξύ των SWCNTs και του οργανικού διαλύτη έχει ως αποτέλεσμα μόνο μερική απολέπιση των SWCNTs. Ως εκ τούτου, τα SWCNTs είναι ως επί το πλείστον διασκορπισμένα ως δέσμες και όχι μεμονωμένα αποσυσσωματωμένα σχοινιά. Εάν η κατάσταση κατά τη διάρκεια της διασποράς είναι πολύ σκληρή, τα SWCNTs θα μειωθούν σε μήκη μεταξύ 80 και 200nm. Για την πλειονότητα των πρακτικών εφαρμογών, δηλαδή για ημιαγώγιμα ή ενισχυτικά SWCNT, αυτό το μήκος είναι πολύ μικρό.

Λύση:

Υπερήχους είναι μια πολύ αποτελεσματική μέθοδος διασποράς και αποσυσσωμάτωσης των νανοσωλήνων άνθρακα, καθώς τα υπερηχητικά κύματα υπερήχων υψηλής έντασης δημιουργούν σπηλαίωση σε υγρά. Τα ηχητικά κύματα που διαδίδονται στα υγρά μέσα έχουν ως αποτέλεσμα εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) και χαμηλής πίεσης (αραίωσης), με ρυθμούς ανάλογα με τη συχνότητα. Κατά τη διάρκεια του κύκλου χαμηλής πίεσης, τα υψηλής έντασης υπερηχητικά κύματα δημιουργούν μικρές φυσαλίδες κενού ή κενά στο υγρό. Όταν οι φυσαλίδες επιτύχουν έναν όγκο στον οποίο δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση. Κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 5.000K) και πιέσεις (περίπου 2.000atm) επιτυγχάνονται τοπικά. Η κατάρρευση της φυσαλίδας σπηλαίωσης οδηγεί επίσης σε υγρούς πίδακες ταχύτητας έως 280m / s. Αυτά τα υγρά ρεύματα πίδακα που προκύπτουν από υπερήχων σπηλαίωση, ξεπερνούν τις δυνάμεις σύνδεσης μεταξύ των νανοσωλήνων άνθρακα και, ως εκ τούτου, οι νανοσωλήνες αποσυσσωματώνονται. Μια ήπια, ελεγχόμενη θεραπεία με υπερήχους είναι μια κατάλληλη μέθοδος για τη δημιουργία επιφανειοδραστικών σταθεροποιημένων εναιωρημάτων διασκορπισμένων SWCNTs με μεγάλο μήκος. Για την ελεγχόμενη παραγωγή των SWCNTs, υπερήχων επεξεργαστές Hielscher επιτρέπει τη λειτουργία σε ένα ευρύ φάσμα υπερήχων σύνολα παραμέτρων. Το πλάτος υπερήχων, η υγρή πίεση και η υγρή σύνθεση μπορούν να ποικίλουν αντίστοιχα στο συγκεκριμένο υλικό και διαδικασία. Αυτό προσφέρει μεταβλητές δυνατότητες προσαρμογών, όπως

• Sonotrode πλάτη έως 170 micron
• πιέσεις υγρών έως 10 bar
• ρυθμοί ροής υγρού έως 15L/min (ανάλογα με τη διαδικασία)
• θερμοκρασίες υγρού έως 80 degC (άλλες θερμοκρασίες κατόπιν αιτήματος)
• Ιξώδες υλικού έως 100.000cp

 

Επιπλέον, υπερήχους ως μέθοδος καθαρισμού με τη βοήθεια πολυμερούς επιτρέπει την απομάκρυνση των ακαθαρσιών από τα SWCNTs που καλλιεργούνται αποτελεσματικά. Είναι δύσκολο να μελετηθεί η χημική τροποποίηση των SWCNTs σε μοριακό επίπεδο, επειδή είναι δύσκολο να ληφθούν καθαρά SWNTs. Τα SWCNTs που καλλιεργούνται περιέχουν πολλές ακαθαρσίες, όπως μεταλλικά σωματίδια και άμορφους άνθρακες. Υπερήχους των SWCNTs σε ένα διάλυμα μονοχλωροβενζολίου (MCB) του πολυ(μεθακρυλικού μεθυλίου) PMMA ακολουθούμενο από διήθηση είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για τον καθαρισμό SWCNTs. Αυτή η μέθοδος καθαρισμού με τη βοήθεια πολυμερούς επιτρέπει την αποτελεσματική απομάκρυνση των ακαθαρσιών από τα SWCNTs που καλλιεργούνται. Ο ακριβής έλεγχος του πλάτους υπερήχων επιτρέπει την αποφυγή ή τον περιορισμό της βλάβης των SWCNTs.

Εξοπλισμός υπερήχων

Hielscher προσφέρει υψηλή απόδοση υπερήχων επεξεργαστές για την υπερήχηση κάθε όγκου. Συσκευές υπερήχων από 50 watt έως 16.000 watt, οι οποίες θα μπορούσαν να εγκατασταθούν σε συστάδες, επιτρέπουν την εύρεση του κατάλληλου υπερήχων για κάθε εφαρμογή, στο εργαστήριο καθώς και στη βιομηχανία. Για την εξελιγμένη διασπορά των νανοσωλήνων, συνιστάται συνεχής υπερήχηση. Χρησιμοποιώντας τις κυψέλες ροής του Hielscher, καθίσταται δυνατή η διασπορά των CNT σε υγρά αυξημένου ιξώδους όπως πολυμερή, τήγματα υψηλού ιξώδους και θερμοπλαστικά.

Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με τη διασπορά και την τροποποίηση των νανοσωλήνων με υπερήχους υψηλής ισχύος!