Cómo dispersar individualmente nanotubos de carbono de pared simple

Los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT o SWCNT) tienen características únicas, pero para expresarlas deben dispersarse individualmente. Para aprovechar al máximo las excepcionales características de los nanotubos de carbono de pared simple, los tubos deben desenredarse por completo. Los SWNT, al igual que otras nanopartículas, muestran fuerzas de atracción muy elevadas, por lo que se necesita una técnica potente y eficaz para una desaglomeración y dispersión fiables. Mientras que las técnicas de mezcla habituales no proporcionan la intensidad necesaria para desenmarañar los SWNT sin dañarlos, está demostrado que los ultrasonidos de alta potencia desenmarañan y dispersan los SWCNT. Las fuerzas de cizallamiento cavitacionales generadas por ultrasonidos son lo suficientemente potentes como para superar las fuerzas de unión, mientras que la intensidad de los ultrasonidos puede ajustarse con precisión para evitar dañar los SWCNT.

Problema:

Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) se diferencian de los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT/ MWCNT) por sus propiedades eléctricas. La brecha de banda de los SWCNT puede variar de cero a 2 eV y su conductividad eléctrica presenta un comportamiento metálico o semiconductor. Como los nanotubos de carbono de pared simple son muy cohesivos, uno de los principales obstáculos para procesar los SWCNT es la insolubilidad inherente de los tubos en disolventes orgánicos o agua. Para aprovechar todo el potencial de los SWCNT, se necesita un proceso de desaglomeración de los tubos que sea sencillo, fiable y escalable. En concreto, la funcionalización de las paredes laterales o los extremos abiertos de los CNT para crear una interfaz adecuada entre los SWCNT y el disolvente orgánico sólo produce una exfoliación parcial de los SWCNT. Por lo tanto, los SWCNT se dispersan principalmente en forma de haces y no de cuerdas individuales desaglomeradas. Si las condiciones durante la dispersión son demasiado duras, los SWCNT se acortarán a longitudes de entre 80 y 200 nm. Para la mayoría de las aplicaciones prácticas, es decir, para los SWCNT semiconductores o de refuerzo, esta longitud es demasiado pequeña.

Los dispersores ultrasónicos se utilizan para desenredar nanotubos de pared simple (SWNT) de forma eficaz.

UIP2000hdTun potente ultrasonido de 2 kW para dispersar los SWCNT.

Solución:

La ultrasonicación es un método muy eficaz de dispersión y desaglomeración de los nanotubos de carbono, ya que las ondas ultrasónicas de alta intensidad generan cavitación en los líquidos. Las ondas sonoras propagadas en el medio líquido dan lugar a ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), con tasas que dependen de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o vacíos en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber energía, se colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión se alcanzan localmente temperaturas (aprox. 5.000K) y presiones (aprox. 2.000atm) muy elevadas. La implosión de la burbuja de cavitación también da lugar a chorros de líquido de hasta 280 m/s de velocidad. Estos chorros de líquido resultantes de Cavitación ultrasónicaLa acción de los ultrasonidos supera las fuerzas de unión entre los nanotubos de carbono y, por lo tanto, los nanotubos se desaglomeran. Un tratamiento por ultrasonidos suave y controlado es un método adecuado para crear suspensiones estabilizadas con tensioactivos de SWCNT dispersos de gran longitud. Para la producción controlada de SWCNTs, los procesadores ultrasónicos de Hielscher permiten funcionar con una amplia gama de conjuntos de parámetros ultrasónicos. La amplitud ultrasónica, la presión del líquido y la composición del líquido pueden variarse respectivamente según el material y el proceso específicos. Esto ofrece posibilidades variables de ajustes, como

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

 

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Además, la ultrasonicación, como método de purificación asistido por polímeros, permite eliminar eficazmente las impurezas de los SWCNT cultivados. Es difícil estudiar la modificación química de los SWCNT a nivel molecular, porque es difícil obtener SWNT puros. Los SWCNT cultivados contienen muchas impurezas, como partículas metálicas y carbonos amorfos. La ultrasonicación de los SWCNT en una solución de monoclorobenceno (MCB) de poli(metacrilato de metilo) PMMA seguida de filtración es una forma eficaz de purificar los SWCNT. Este método de purificación asistido por polímeros permite eliminar eficazmente las impurezas de los SWCNTs tal y como han crecido. El control preciso de la amplitud de ultrasonidos permite evitar o limitar el daño a los SWCNTs.

Equipo ultrasónico

Hielscher ofrece un alto rendimiento Sonificadores para la sonicación de cualquier volumen. Los aparatos de ultrasonidos de 50 vatios a 16.000 vatios, que pueden instalarse en grupos, permiten encontrar el ultrasonido adecuado para cada aplicación, tanto en el laboratorio como en la industria. Para la dispersión sofisticada de nanotubos, se recomienda una sonicación continua. Utilizando las células de flujo de Hielscher, es posible dispersar los CNT en líquidos de viscosidad elevada, como polímeros, fundidos de alta viscosidad y termoplásticos.

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Una forma sencilla de hacer reaccionar químicamente nanotubos de carbono de pared simple con materiales orgánicos mediante ultrasonidos. Koshio et al., 2001

Imágenes microscópicas de SWNT dispersados por ultrasonidos.

Dispersión ultrasónica de nanotubos de carbono: El ultrasonicador UP400S (400W) de Hielscher dispersa y desenreda los CNT rápida y eficazmente en nanotubos individuales.

Dispersión de nanotubos de carbono en agua con el UP400S

Vídeo en miniatura

 

Los aparatos de ultrasonidos de Hielscher son los ideales

Dispersión ultrasónica de nanotubos (UP400St)

Datos sobre los SWNT– diámetro de aproximadamente 1 nm, con un tubo un millón de veces más largo– fuerza extrema & rigidez– muy alta tenacidad– muy alta conductividad electrónica y térmica– comportamiento metálico o semiconductor
Los ultrasonidos de potencia suelen ser la única herramienta fiable para desenredar y dispersar nanotubos

Dispersión de CNT con el dispositivo de laboratorio de Hielscher UP50H

Hielscher Ultrasonics suministra homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde tamaño de laboratorio hasta industrial.

Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonicador compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.



Literatura / Referencias

Información interesante

A los homogeneizadores ultrasónicos también se los denomina frecuentemente como sonicador de sonda, sonolisador, fraccionador por ultrasonidos, pulverizador ultrasónico, sonoruptor, sonificador, disgregador ultrasónico, fraccionador celular, dispersor ultrasónico o mezclador por ultrasonidos. Estos términos provienen de las distintas aplicaciones que se pueden llevar a cabo por sonicación.

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