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. La ecografía es un método eficaz para obtener – Disperso simple – nanotubos de carbono.

Los nanotubos de carbono (CNT) se utilizan en adhesivos, recubrimientos y polímeros y como rellenos conductores de electricidad en plásticos para disipar cargas estáticas en equipos eléctricos y en paneles de carrocería de automóviles pintables 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. Hay dos categorías de nanotubos de carbono: nanotubos de pared simple (SWNT) y nanotubos de pared múltiple (MWNT).

Los nanotubos de carbono están generalmente disponibles como material seco, por ejemplo, de empresas como Investigación de SES o CNT Co., Ltd. Se necesita un proceso sencillo, fiable y escalable para la desaglomeración, con el fin de utilizar los nanotubos a su máximo potencial. Para líquidos de hasta 100.000 cP, los ultrasonidos son una tecnología muy eficaz para la dispersión de nanotubos en agua, aceite o polímeros a bajas o altas concentraciones. Las corrientes en chorro de líquido resultantes de Cavitación ultrasónica, superan las fuerzas de unión entre los nanotubos y separan los tubos. Debido a las fuerzas de cizallamiento generadas por ultrasonidos y a las microturbulencias, los ultrasonidos también pueden ayudar en el recubrimiento de la superficie y en la reacción química de los nanotubos con otros materiales.

Generalmente, una dispersión de nanotubos gruesos se premezcla primero con un agitador estándar y luego se homogeneiza en el reactor de celda de flujo ultrasónico. El siguiente vídeo muestra una prueba 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 el agua es bastante difícil. Como se muestra en el vídeo, se puede demostrar fácilmente que la ultrasonicación es capaz de dispersar nanotubos de forma eficaz.

Dispersión de SWNTs individuales de gran longitud

Un problema importante para el procesamiento y la manipulación de SWNT es la insolubilidad inherente de los tubos en solventes orgánicos comunes y agua. La funcionalización de la pared lateral o los extremos abiertos de los nanotubos para crear una interfaz adecuada entre los SWNT y el disolvente conduce principalmente a la exfoliación parcial de las cuerdas SWNT, únicamente.
Como resultado, los SWNT suelen dispersarse como haces en lugar de como objetos individuales totalmente aislados. Cuando se emplean condiciones demasiado duras durante la dispersión, los SWNT se acortan a longitudes entre 80 y 200 nm. Aunque esto es útil para ciertos ensayos, esta longitud es demasiado pequeña para la mayoría de las aplicaciones prácticas, como los SWNT semiconductores o de refuerzo. UP200Ht con sonotrodo de 40 mm) es un procedimiento eficaz para preparar dispersiones acuosas de SWNT individuales largas. Las secuencias de ultrasonidos suaves minimizan el acortamiento y permiten la máxima conservación de las propiedades estructurales y electrónicas.

Purificación de SWNT mediante ultrasonidos asistidos por polímeros

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

Hielscher's Amplia gama de dispositivos ultrasónicos y accesorios para la dispersión eficiente 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 grandes volúmenes.
• Los sistemas ultrasónicos de 2kW (UIP2000hdT) y 4kW (UIP4000hdT) Se puede utilizar para la dispersión a escala de producción de nanotubos de carbono. El UIP10000 (10 kilovatios) y la UIP16000 (16 kilovatios) Se puede utilizar 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.