Dispersión uniforme de CNT mediante ultrasonidos
Para explotar las excepcionales funcionalidades de los nanotubos de carbono (CNT), éstos deben dispersarse de forma homogénea.
Los dispersores ultrasónicos son la herramienta más común para distribuir CNT en suspensiones acuosas y basadas en disolventes.
La tecnología de dispersión por ultrasonidos crea una energía de cizallamiento suficientemente alta para lograr una separación completa de los CNT sin dañarlos.
Dispersión ultrasónica de nanotubos de carbono
Los nanotubos de carbono (CNT) tienen una relación de aspecto muy elevada y presentan una baja densidad, así como una enorme superficie (varios cientos de m2/g), lo que les confiere propiedades únicas como una resistencia a la tracción, rigidez y tenacidad muy elevadas y una conductividad eléctrica y térmica muy alta. Debido a las fuerzas de Van der Waals, que atraen a los nanotubos de carbono (CNT) individuales entre sí, los CNT se disponen normalmente en haces o madejas. Estas fuerzas de atracción intermoleculares se basan en un fenómeno de apilamiento de enlaces π entre nanotubos adyacentes conocido como apilamiento π. Para sacar el máximo partido de los nanotubos de carbono, hay que desenmarañar estos aglomerados y distribuir los CNT uniformemente en una dispersión homogénea. Los ultrasonidos intensos crean cavitación acústica en los líquidos. El esfuerzo cortante local así generado rompe los agregados de CNT y los dispersa uniformemente en una suspensión homogénea. La tecnología de dispersión por ultrasonidos crea una energía de cizallamiento suficientemente alta para lograr una separación completa de los CNT sin dañarlos. Incluso en el caso de los sensibles SWNT, la sonicación se aplica con éxito para desenmarañarlos individualmente. La ultrasonicación proporciona un nivel de tensión suficiente para separar los agregados de SWNT sin causar demasiada fractura a los nanotubos individuales (Huang, Terentjev 2012).
- CNT dispersos
- Distribución homogénea
- Alta eficacia de dispersión
- Altas cargas de CNT
- Sin degradación del CNT
- Tratamiento rápido
- control preciso del proceso
UIP2000hdT – Potente ultrasonido de 2 kW para dispersiones de CNT
Sistemas ultrasónicos de alto rendimiento para dispersiones de CNT
Hielscher Ultrasonics suministra equipos ultrasónicos potentes y fiables para la dispersión eficaz de CNT. Tanto si necesita preparar pequeñas muestras de CNT para análisis y R&D o tiene que fabricar grandes lotes industriales de dispersiones a granel, la gama de productos de Hielscher le ofrece el sistema ultrasónico ideal para sus necesidades. Desde Ultrasonidos de 50 W para laboratorio hasta Unidades ultrasónicas industriales de 16 kW para la fabricación comercial, Hielscher Ultrasonics lo tiene cubierto.
Para producir dispersiones de nanotubos de carbono de alta calidad, los parámetros del proceso deben estar bien controlados. La amplitud, la temperatura, la presión y el tiempo de retención son los parámetros más críticos para conseguir una distribución uniforme de los CNT. Los ultrasonicadores de Hielscher no sólo permiten un control preciso de cada parámetro, sino que todos los parámetros del proceso se registran automáticamente en la tarjeta SD integrada de los sistemas ultrasónicos digitales de Hielscher. El protocolo de cada proceso de sonicación ayuda a garantizar resultados reproducibles y una calidad constante. Mediante el control remoto por navegador, el usuario puede manejar y supervisar el dispositivo de ultrasonidos sin necesidad de estar en el lugar donde se encuentra el sistema de ultrasonidos.
Dado que los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) y los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT), así como el medio acuoso o disolvente seleccionado, requieren intensidades de procesamiento específicas, la amplitud ultrasónica es un factor clave en lo que respecta al producto final. Hielscher Ultrasonidos’ Los procesadores ultrasónicos industriales pueden suministrar amplitudes tanto muy altas como muy suaves. Establezca la amplitud ideal para los requisitos de su proceso. Incluso amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento 24/7 en servicio pesado y en entornos exigentes.
Nuestros clientes están satisfechos por la extraordinaria robustez y fiabilidad de los sistemas de Hielscher Ultrasonic. La instalación en campos de aplicaciones pesadas, entornos exigentes y un funcionamiento 24/7 garantizan un procesamiento eficaz y económico. La intensificación del proceso por ultrasonidos reduce el tiempo de procesamiento y consigue mejores resultados, es decir, mayor calidad, mayor rendimiento y productos innovadores.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 0,5 a 1,5 mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min. | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min. | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo de UIP16000 |
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Procesadores ultrasónicos de alta potencia desde el laboratorio hasta la escala piloto e industrial.
Literatura / Referencias
- SOP – Ultrasonic Dispersion of Multi-Walled Carbon-Nanotubes using the UP400ST Sonicator – Hielscher Ultrasonics
- Biver T.; Criscitiello F.; Di Francesco F.; Minichino M.; Swager T.; Pucci A. (2015): MWCNT/Perylene bisimide Water Dispersions for Miniaturized Temperature Sensors. RSC Advances 5: 2015. 65023–65029.
- Chiou K.; Byun S.; Kim J.; Huang J. (2018): Additive-free carbon nanotube dispersions, pastes, gels, and doughs in cresols. PNAS Vol. 115, No. 22, 2018. 5703–5708.
- Huang, Y.Y:; Terentjev E.M. (2012): Dispersion of Carbon Nanotubes: Mixing, Sonication, Stabilization, and Composite Properties. Polymers 2012, 4, 275-295.
- Krause B.; Mende M.; Petzold G.; Pötschke P. (2010): Characterization on carbon nanotubes’ dispersability using centrifugal sedimentation analysis in aqueous surfactant dispersions. Conference paper ANTEC 2010, Orlando, USA, May 16-20 2010.
- Paredes J.I.; Burghard M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length. Langmuir 2004, 20, 5149-5152.
- Santos A.; Amorim L.; Nunes J.P.; Rocha L.A.; Ferreira Silva A.; Viana J.C. (2019): A Comparative Study between Knocked-Down Aligned Carbon Nanotubes and Buckypaper-Based Strain Sensors. Materials 2019, 12, 2013.
- Szelag M. (2017): Mechano-Physical Properties and Microstructure of Carbon Nanotube Reinforced Cement Paste after Thermal Load. Nanomaterials 7(9), 2017. 267.
Información interesante
Qué son los nanotubos de carbono
Los nanotubos de carbono (CNT) forman parte de una clase especial de materiales de carbono unidimensionales que presentan propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas y ópticas excepcionales. Son uno de los principales componentes utilizados en el desarrollo y la producción de nanomateriales avanzados, como nanocompuestos, polímeros reforzados, etc., por lo que se emplean en tecnologías de vanguardia. Los CNT presentan una resistencia a la tracción muy elevada, propiedades superiores de transferencia térmica, brechas de banda bajas y una estabilidad química y física óptima, lo que convierte a los nanotubos en un aditivo prometedor para múltiples materiales.
Según su estructura, los CNTS se distinguen en nanotubos de carbono de pared simple (SWNT), nanotubos de carbono de pared doble (DWCNT) y nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT).
Los SWNT son tubos cilíndricos largos y huecos formados por una pared de carbono de un átomo de grosor. La lámina atómica de carbonos está dispuesta en un entramado de nido de abeja. A menudo se comparan conceptualmente con láminas enrolladas de grafito monocapa o grafeno.
Los DWCNT están formados por dos nanotubos de pared simple, uno dentro del otro.
Los MWNT son una forma de CNT en la que múltiples nanotubos de carbono de pared simple están anidados unos dentro de otros. Como su diámetro oscila entre 3 y 30 nm y pueden crecer varios centímetros de largo, su relación de aspecto puede variar entre 10 y diez millones. En comparación con las nanofibras de carbono, los MWNT tienen una estructura de pared diferente, un diámetro exterior menor y un interior hueco. Los tipos de MWNT más utilizados en la industria son, por ejemplo, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 y FutureCarbon CNT-MW.
Síntesis de CNT: Los CNT pueden producirse mediante el método de síntesis basado en plasma o el método de evaporación por descarga de arco, el método de ablación por láser, el proceso de síntesis térmica, la deposición química en fase vapor (CVD) o la deposición química en fase vapor mejorada por plasma.
Funcionalización de los CNT: Para mejorar las características de los nanotubos de carbono y hacerlos así más adecuados para una aplicación específica, los CNT se funcionalizan a menudo, por ejemplo añadiendo grupos ácido carboxílico (-COOH) o hidroxilo (-OH).
Aditivos dispersantes de CNT
Unos pocos disolventes, como los superácidos, los líquidos iónicos y la N-ciclohexil-2-pirrolidnona, son capaces de preparar dispersiones de CNT en concentraciones relativamente altas, mientras que los disolventes más comunes para los nanotubos, como la N-metil-2-pirrolidona (NMP), la dimetilformamida (DMF) y el 1,2-dicrolobenceno, sólo pueden dispersar nanotubos en concentraciones muy bajas (por ejemplo, típicamente <0.02 wt% de CNT de pared simple). Los agentes de dispersión más comunes son la polivinilpirrolidona (PVP), el dodecilbenceno sulfonato sódico (SDBS), el Tritón 100 o el dodecil sulfonato sódico (SDS).
Los cresoles son un grupo de productos químicos industriales que pueden procesar CNT en concentraciones de hasta decenas de porcentaje en peso, lo que da lugar a una transición continua desde dispersiones diluidas, pastas espesas y geles independientes hasta un estado de plastilina sin precedentes, a medida que aumenta la carga de CNT. Estos estados presentan propiedades reológicas y viscoelásticas similares a las de los polímeros, que no se alcanzan con otros disolventes comunes, lo que sugiere que los nanotubos están realmente disgregados y finamente dispersos en cresoles. Los cresoles se pueden eliminar después del procesamiento mediante calentamiento o lavado, sin alterar la superficie de los CNT. [Chiou et al. 2018]
Aplicaciones de las dispersiones de CNT
Los CNT dispersados uniformemente se utilizan para fabricar plásticos conductores, pantallas de cristal líquido, diodos orgánicos emisores de luz, pantallas táctiles, pantallas flexibles, células solares, tintas conductoras, materiales de control estático (películas, espumas, fibras y tejidos), revestimientos y adhesivos poliméricos, compuestos poliméricos de alto rendimiento con una resistencia mecánica y una tenacidad excepcionales, fibras compuestas de polímero y CNT, así como materiales ligeros y antiestáticos.
¿Cuáles son las formas del carbono?
El carbono existe en varios alótropos, entre ellos:
- Formas cristalinas: Diamante, grafito, grafeno, nanotubos de carbono (CNT), fullerenos (por ejemplo, C60).
- Formas amorfas: Carbón vegetal, hollín, negro de humo, carbono vítreo, carbono diamante (DLC), carbono amorfo monocapa (MAC).
- Nanoestructuras híbridas: Nanodiamantes, cebollas de carbono, aerogeles de carbono y compuestos como híbridos nanocarbono-metal.
Cada una de estas formas presenta propiedades fisicoquímicas distintas, relevantes para aplicaciones en ciencia de materiales, electrónica y almacenamiento de energía.