Cómo dispersar individualmente los nanotubos de carbono de pared simple

Los nanotubos de carbono de pared simple (SWNTs o SWCNTs) tienen características únicas, pero para que estas se manifiesten deben dispersarse individualmente. Para aprovechar plenamente las características excepcionales de los nanotubos de carbono de pared simple, es necesario desenredarlos lo más completamente posible. Al igual que otras nanopartículas, los SWNTs presentan fuerzas de atracción muy elevadas, por lo que se necesita una técnica potente y eficiente para lograr una desaglomeración y una dispersión fiables. Aunque las técnicas de mezclado habituales no proporcionan la intensidad necesaria para desenredar los SWNTs sin dañarlos, se ha demostrado que los ultrasonidos de alta potencia permiten desenredar y dispersar los SWCNTs. Las fuerzas de cizallamiento producidas por la cavitación ultrasónica son lo suficientemente potentes como para superar las fuerzas de unión, mientras que la intensidad de los ultrasonidos puede ajustarse con precisión para evitar daños en los SWCNTs.

Problema:

Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNTs) se diferencian de los nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWNTs/ MWCNTs) por sus propiedades eléctricas. La banda prohibida de los SWCNTs puede variar de cero a 2 eV, y su conductividad eléctrica presenta un comportamiento metálico o semiconductor. Dado que los nanotubos de carbono de pared simple tienen una gran cohesión, uno de los principales obstáculos para procesar los SWCNTs es su insolubilidad inherente en disolventes orgánicos o en agua. Para aprovechar todo el potencial de los SWCNTs, se necesita un proceso de desaglomeración sencillo, fiable y escalable. En particular, la funcionalización de las paredes laterales o de los extremos abiertos de los CNTs para crear una interfaz adecuada entre los SWCNTs y el disolvente orgánico solo produce una exfoliación parcial de los SWCNTs. Por ello, los SWCNTs se dispersan principalmente en forma de haces, en lugar de cordones individuales desaglomerados. Si las condiciones durante la dispersión son demasiado agresivas, los SWCNTs se acortarán hasta alcanzar longitudes de entre 80 y 200 nm. Para la mayoría de las aplicaciones prácticas, como el uso de SWCNTs semiconductores o de refuerzo, esta longitud es demasiado pequeña.

Solución:

La sonicación es un método muy eficaz para dispersar y desaglomerar nanotubos de carbono, ya que las ondas ultrasónicas de alta intensidad generan cavitación en los líquidos. Las ondas sonoras que se propagan por el medio líquido producen ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), cuyo ritmo depende de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o cavidades en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber energía, colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión se alcanzan localmente temperaturas muy elevadas (aprox. 5.000K) y presiones muy altas (aprox. 2.000atm). La implosión de la burbuja de cavitación también produce chorros de líquido con velocidades de hasta 280 m/s. Estos chorros de líquido, generados por la cavitación ultrasónica, superan las fuerzas de unión entre los nanotubos de carbono y, por tanto, provocan su desaglomeración. Un tratamiento ultrasónico suave y controlado es un método adecuado para crear suspensiones de SWCNTs dispersos de gran longitud, estabilizadas con tensioactivos. Para la producción controlada de SWCNTs, los procesadores ultrasónicos de Hielscher permiten trabajar con una amplia variedad de combinaciones de parámetros ultrasónicos. La amplitud ultrasónica, la presión del líquido y su composición pueden modificarse en función del material y del proceso específicos. Esto ofrece diversas posibilidades de ajuste, como

• amplitudes del sonotrodo de hasta 170 micras
• presiones del líquido de hasta 10 bares
• caudales de líquido de hasta 15 L/min (según el proceso)
• temperaturas del líquido de hasta 80 degC (otras temperaturas bajo petición)
• viscosidad del material de hasta 100.000cp

 

Además, la sonicación como método de purificación asistida por polímeros permite eliminar eficazmente las impurezas de los SWCNTs tal como se obtienen tras su crecimiento. Es difícil estudiar la modificación química de los SWCNTs a nivel molecular porque resulta difícil obtener SWNTs puros. Los SWCNTs recién obtenidos contienen muchas impurezas, como partículas metálicas y carbono amorfo. La sonicación de SWCNTs en una solución de poli(metacrilato de metilo) PMMA en monoclorobenceno (MCB), seguida de filtración, es una forma eficaz de purificar los SWCNTs. Este método de purificación asistida por polímeros permite eliminar eficazmente las impurezas de los SWCNTs tal como se obtienen tras su crecimiento. El control preciso de la amplitud de sonicación permite evitar o limitar los daños en los SWCNTs.

Equipos ultrasónicos

Hielscher ofrece procesadores ultrasónicos de alto rendimiento para la sonicación de cualquier volumen. Los equipos ultrasónicos de 50 vatios a 16.000 vatios, que pueden agruparse, permiten encontrar el equipo ultrasónico adecuado para cada aplicación, tanto en el laboratorio como en la industria. Para la dispersión de nanotubos con altos requisitos técnicos, se recomienda la sonicación continua. Las celdas de flujo de Hielscher permiten dispersar CNTs en líquidos de elevada viscosidad, como polímeros, materiales fundidos de alta viscosidad y termoplásticos.

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