Dispersión de nanotubos de carbono (CNT) por ultrasonidos

Los nanotubos de carbono son fuertes y flexibles, pero muy cohesivos. Son difíciles de dispersar en líquidos, como agua, etanol, aceite, polímero o resina epoxi. Los ultrasonidos son un método eficaz para obtener nanotubos discretos. – de dispersión única – nanotubos de carbono.

Los nanotubos de carbono (CNT) se utilizan en adhesivos, revestimientos y polímeros y como cargas conductoras de la electricidad en plásticos para disipar cargas estáticas en equipos eléctricos y en paneles de carrocería de automóviles que se pueden pintar electrostáticamente. Mediante el uso de nanotubos, los polímeros pueden hacerse más resistentes a las temperaturas, los productos químicos agresivos, los entornos corrosivos, las presiones extremas y la abrasión. Existen dos categorías de nanotubos de carbono: Los nanotubos de pared simple (SWNT) y los nanotubos de pared múltiple (MWNT).

Los nanotubos de carbono suelen estar disponibles como material seco, por ejemplo, en empresas como Investigación SES o CNT Co., Ltd. Se necesita un proceso de desaglomeración sencillo, fiable y escalable para aprovechar al máximo el potencial de los nanotubos. Para líquidos de hasta 100.000cP, el ultrasonido es una tecnología muy eficaz para la dispersión de nanotubos en agua, aceite o polímeros a bajas o altas concentraciones. Los chorros de líquido resultantes de Cavitación ultrasónicaLos ultrasonidos pueden vencer las fuerzas de unión entre los nanotubos y separarlos. Debido a las fuerzas de cizallamiento generadas por ultrasonidos y a las microturbulencias, los ultrasonidos también pueden ayudar en el recubrimiento de superficies y en la reacción química de los nanotubos con otros materiales.

Generalmente, una dispersión gruesa de nanotubos se premezcla primero con un agitador estándar y luego se homogeneiza en el reactor de celda de flujo ultrasónico. El vídeo siguiente muestra un ensayo de laboratorio (sonicación por lotes utilizando un UP400S) dispersando nanotubos de carbono multipared en agua a baja concentración. Debido a la naturaleza química del carbono, el comportamiento de dispersión de los nanotubos en agua es bastante difícil. Como se muestra en el vídeo, puede demostrarse fácilmente que la ultrasonicación es capaz de dispersar nanotubos de forma eficaz.

Dispersión de SWNT individuales de gran longitud

Un problema importante para el procesamiento y la manipulación de los SWNT es la insolubilidad inherente de los tubos en disolventes orgánicos comunes y en agua. La funcionalización de la pared lateral de los nanotubos o de sus extremos abiertos para crear una interfaz adecuada entre los SWNT y el disolvente suele conducir únicamente a la exfoliación parcial de las cuerdas de SWNT.
Como resultado, los SWNT suelen dispersarse en forma de haces en lugar de como objetos individuales completamente aislados. Cuando se emplean condiciones demasiado duras durante la dispersión, los SWNT se acortan a longitudes de entre 80 y 200 nm. Aunque esto es útil para determinadas pruebas, esta longitud es demasiado pequeña para la mayoría de las aplicaciones prácticas, como los SWNT semiconductores o de refuerzo. El tratamiento ultrasónico suave y controlado (por ejemplo, mediante UP200Ht con sonotrodo de 40 mm) es un procedimiento eficaz para preparar dispersiones acuosas de SWNT individuales largos. Las secuencias de ultrasonidos suaves minimizan el acortamiento y permiten preservar al máximo las propiedades estructurales y electrónicas.

Purificación de SWNT mediante ultrasonidos asistidos por polímeros

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

De Hielscher amplia gama de dispositivos ultrasónicos y accesorios para la dispersión eficaz de nanotubos.

• Aparatos compactos de laboratorio de hasta 400 vatios de potencia ultrasónica para la dispersión en volúmenes más pequeños de hasta 2 litros
• UIP500hdT, UIP1000hdT y UIP1500hdT son procesadores ultrasónicos que pueden procesar volúmenes mayores.
• Sistemas ultrasónicos de 2 kW (UIP2000hdT) y 4 kW (UIP4000hdT) puede utilizarse para la dispersión a escala de producción de nanotubos de carbono. UIP10000 (10 kilovatios) y la UIP16000 (16 kilovatios) pueden utilizarse en grupos de varias unidades individuales para el procesamiento a gran escala de nanotubos de carbono.”

Referencias

• Koshio, A., Yudasaka, M., Zhang, M., Iijima, S. (2001): A Simple Way to Chemically React Single-Wall Crabon Nanotubes with Organic Materials Using Ultrasonication; in Nano Letters, Vol. 1, No. 7, 2001, p. 361-363.
• Yudasaka, M., Zhang, M., Jabs, C. et al. (2000): Effect of an organic polymer in purification and cutting of single-wall carbon nanotubes. Appl Phys A 71, 449–451 (2000).
• Paredes, J. I., Burghard, M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length, in: Langmuir, Vol. 20, No. 12, 2004, 5149-5152, American Chemical Society.