Ομοιόμορφα διεσπαρμένοι CNTs μέσω κατεργασίας με υπερήχους

Χρήσιμες πληροφορίες

Τι είναι οι νανοσωλήνες άνθρακα

Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) ανήκουν σε μια ειδική κατηγορία μονοδιάστατων υλικών άνθρακα και παρουσιάζουν εξαιρετικές μηχανικές, ηλεκτρικές, θερμικές και οπτικές ιδιότητες. Αποτελούν βασικό συστατικό που χρησιμοποιείται στην ανάπτυξη και παραγωγή προηγμένων νανοϋλικών, όπως νανοσύνθετα υλικά, ενισχυμένα πολυμερή κ.λπ., και επομένως χρησιμοποιούνται σε τεχνολογίες αιχμής. Οι CNTs παρουσιάζουν πολύ υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό, ανώτερες ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας, μικρά ενεργειακά χάσματα και βέλτιστη χημική και φυσική σταθερότητα, γεγονός που καθιστά τους νανοσωλήνες ένα πολλά υποσχόμενο πρόσθετο για ποικίλα υλικά.
Ανάλογα με τη δομή τους, οι CNTS διακρίνονται σε νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος (SWNTs), νανοσωλήνες άνθρακα διπλού τοιχώματος (DWCNTs) και νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (MWNTs).
Οι SWNTs είναι κοίλοι, επιμήκεις κυλινδρικοί σωλήνες με τοίχωμα άνθρακα πάχους ενός ατόμου. Το ατομικό φύλλο άνθρακα είναι διατεταγμένο σε κυψελοειδές πλέγμα. Συχνά, σε εννοιολογικό επίπεδο, συγκρίνονται με τυλιγμένα φύλλα μονοστρωματικού γραφίτη ή γραφενίου.
Οι DWCNTs αποτελούνται από δύο νανοσωλήνες μονού τοιχώματος, με τον έναν τοποθετημένο μέσα στον άλλον.
Οι MWNTs είναι μια μορφή CNTs στην οποία πολλοί νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος είναι τοποθετημένοι ο ένας μέσα στον άλλον. Καθώς η διάμετρός τους κυμαίνεται μεταξύ 3–30 nm και το μήκος τους μπορεί να φτάσει αρκετά cm, ο λόγος μήκους προς διάμετρο μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 10 και δέκα εκατομμυρίων. Σε σύγκριση με τις νανοΐνες άνθρακα, οι MWNTs έχουν διαφορετική δομή τοιχώματος, μικρότερη εξωτερική διάμετρο και κοίλο εσωτερικό. Συνήθως χρησιμοποιούμενοι τύποι MWNTs που διατίθενται για βιομηχανική χρήση είναι, για παράδειγμα, οι Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 και FutureCarbon CNT-MW.
Σύνθεση CNTs: Οι CNTs μπορούν να παραχθούν με μέθοδο σύνθεσης βασισμένη στο πλάσμα ή με μέθοδο εξάτμισης μέσω εκκένωσης τόξου, με μέθοδο αποδόμησης με λέιζερ, με διεργασία θερμικής σύνθεσης, με χημική εναπόθεση ατμών (CVD) ή με χημική εναπόθεση ατμών ενισχυμένη με πλάσμα.
Λειτουργικοποίηση CNTs: Για να βελτιωθούν τα χαρακτηριστικά των νανοσωλήνων άνθρακα και να καταστούν έτσι καταλληλότεροι για μια συγκεκριμένη εφαρμογή, οι CNTs συχνά λειτουργικοποιούνται, π.χ. με την προσθήκη ομάδων καρβοξυλικού οξέος (-COOH) ή υδροξυλίου (-OH).

Πρόσθετα διασποράς CNTs

Ορισμένοι διαλύτες, όπως τα υπεροξέα, τα ιοντικά υγρά και η N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, επιτρέπουν την παρασκευή διασπορών CNTs σχετικά υψηλής συγκέντρωσης, ενώ οι συνηθέστεροι διαλύτες για νανοσωλήνες, όπως η N-μεθυλο-2-πυρρολιδόνη (NMP), το διμεθυλοφορμαμίδιο (DMF) και το 1,2-dichrolobenzene, μπορούν να διασπείρουν νανοσωλήνες μόνο σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις (π.χ. συνήθως <0,02 wt% για CNTs μονού τοιχώματος). Οι συνηθέστεροι παράγοντες διασποράς είναι η πολυβινυλοπυρρολιδόνη (PVP), το δωδεκυλοβενζολοσουλφονικό νάτριο (SDBS), το Triton 100 ή το δωδεκυλοσουλφονικό νάτριο (SDS).
Οι κρεσόλες είναι μια ομάδα βιομηχανικών χημικών ουσιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επεξεργασία CNTs σε συγκεντρώσεις έως και δεκάδων τοις εκατό κατά βάρος, με αποτέλεσμα μια συνεχή μετάβαση από αραιές διασπορές, παχύρρευστες πάστες και αυτοστηριζόμενες γέλες σε μια πρωτοφανή κατάσταση που μοιάζει με πλαστελίνη, καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα σε CNTs. Οι καταστάσεις αυτές παρουσιάζουν ρεολογικές και ιξωδοελαστικές ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες των πολυμερών, οι οποίες δεν μπορούν να επιτευχθούν με άλλους κοινούς διαλύτες, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι νανοσωλήνες πράγματι αποσυσσωματώνονται και διασπείρονται λεπτομερώς στις κρεσόλες. Οι κρεσόλες μπορούν να απομακρυνθούν μετά την επεξεργασία με θέρμανση ή πλύση, χωρίς να αλλοιωθεί η επιφάνεια των CNTs. [Chiou et al. 2018]

Εφαρμογές διασπορών CNTs

Για να αξιοποιηθούν τα οφέλη των CNTs, πρέπει να διασπείρονται σε ένα υγρό, όπως τα πολυμερή. Οι ομοιόμορφα διεσπαρμένοι CNTs χρησιμοποιούνται για την κατασκευή αγώγιμων πλαστικών, οθονών υγρών κρυστάλλων, οργανικών διόδων εκπομπής φωτός, οθονών αφής, εύκαμπτων οθονών, ηλιακών κυψελών, αγώγιμων μελανιών, υλικών ελέγχου του στατικού ηλεκτρισμού, συμπεριλαμβανομένων μεμβρανών, αφρών, ινών και υφασμάτων, πολυμερικών επιστρώσεων και συγκολλητικών, πολυμερικών σύνθετων υλικών υψηλής απόδοσης με εξαιρετική μηχανική αντοχή και δυσθραυστότητα, σύνθετων ινών πολυμερούς/CNTs, καθώς και ελαφρών και αντιστατικών υλικών.

Ποιες είναι οι μορφές του άνθρακα;
Ο άνθρακας υπάρχει σε διάφορες αλλοτροπικές μορφές, στις οποίες περιλαμβάνονται:

• Κρυσταλλικές μορφές: Διαμάντι, γραφίτης, γραφένιο, νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), φουλερένια (π.χ., C₆₀).
• Άμορφες μορφές: Ξυλάνθρακας, αιθάλη, μαύρος άνθρακας, υαλώδης άνθρακας, αδαμαντοειδής άνθρακας (DLC), μονοστρωματικός άμορφος άνθρακας (MAC).
• Υβριδικές νανοδομές: Νανοδιαμάντια, νανοδομές άνθρακα τύπου κρεμμυδιού, αεροπηκτώματα άνθρακα και σύνθετα υλικά όπως υβρίδια νανοάνθρακα-μετάλλου.

Κάθε μορφή παρουσιάζει διακριτές φυσικοχημικές ιδιότητες που σχετίζονται με εφαρμογές στην επιστήμη των υλικών, την ηλεκτρονική και την αποθήκευση ενέργειας.