Tecnología de ultrasonido de Hielscher

CNTs uniformemente dispersos por ultrasonido

Para aprovechar las excepcionales funcionalidades de los nanotubos de carbono (CNT), deben estar homogéneamente dispersos.
Los dispersores ultrasónicos son la herramienta más común para distribuir CNTs en suspensiones acuosas y a base de solventes.
La tecnología de dispersión ultrasónica crea la energía de cizallamiento suficiente para lograr una separación completa de los CNTs sin dañarlos.

Dispersión ultrasónica de nanotubos de carbono

Sonicación potente con un ultrasonido tipo sonda. (Haga clic para ampliar!)Carbon nanotubes (CNTs) have a very high aspect ratio and exhibit a low density as well as an enormous surface area (several hundred m2/g), which gives them unique properties such as very high tensile strength, stiffness, and toughness and a very high electrical and thermal conductivity. Due to Van der Waals forces, which attract the single carbon nanotubes (CNTs) to each other, CNTs arrange normally in bundles or skeins. These intermolecular forces of attraction are based on a π-bond stacking phenomenon between adjacent nanotubes known as π-stacking. To derive the full benefit from carbon nanotubes, these agglomerates must be disentangled and and the CNTs must be distributed evenly in a homogeneous dispersion. Intense ultrasonication creates acoustic cavitation in liquids. The thereby generated local shear stress breaks CNT aggregates and disperses them uniformly in a homogeneous suspension. The ultrasonic dispersing technology creates sufficiently high shear energy to achieve a complete separation of CNTs without damaging them. Even for the sensitive SWNTs sonication is successfully applied to disentangle them individually. Ultrasonication just delivers a sufficient stress level to separate the SWNT aggregates without causing much fracture to individual nanotubes (Huang, Terentjev 2012).

Ventajas de la dispersión ultrasónica CNT

  • CNT monodispersos
  • Distribución homogénea
  • Alta eficiencia de dispersión
  • Altas cargas de CNT
  • No hay degradación de CNT
  • procesamiento rápido
  • control de proceso exacto
UIP2000hdT - Ultrasonido de 2kW para dispersiones de nanotubos de carbono.

UIP2000hdT – Potente ultrasonido de 2kW para dispersiones CNT

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Sistemas de ultrasonidos de alto rendimiento para dispersiones CNT

Hielscher Ultrasonics suministra equipos de ultrasonidos potentes y fiables para la dispersión eficiente de CNTs. Si necesita preparar pequeñas muestras de CNT para análisis y R&D ara fabricar grandes lotes industriales de dispersiones a granel, la gama de productos de Hielscher ofrece el sistema de ultrasonidos ideal para sus necesidades. Desde Ultrasonidos de 50W para laboratorio hasta Unidades industriales de ultrasonidos de 16kW para la fabricación comercial, Hielscher Ultrasonics lo tiene cubierto.
To produce high-quality carbon nanotube dispersions, the process parameters must be well controlled. Amplitude, temperature, pressure and retention time are the most critical parameters for a even CNT distribution. Hielscher’s ultrasonicators not only allow for the precise control of each parameter, all process parameters are automatically recorded on the integrated SD card of Hielscher’s digital ultrasonic systems. The protocol of each sonication process helps to ensure reproducible results and consistent quality. Via remote browser control the user can operate and monitor the ultrasonic device without being on the location of the ultrasonic system.
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 el producto final. Ultrasonido Hielscher’ Los procesadores industriales de ultrasonidos pueden ofrecer amplitudes muy altas y muy leves. Establezca la amplitud ideal para sus requerimientos de proceso. Incluso amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente operadas de forma continua en operación 24 horas al día, 7 días a la semana. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos de trabajo pesado y exigentes.
Nuestros clientes están satisfechos con la extraordinaria robustez y fiabilidad de los sistemas de Hielscher Ultrasonic. La instalación en campos de aplicaciones de servicio pesado, ambientes exigentes y operación 24/7 aseguran un procesamiento eficiente y económico. La intensificación del proceso por ultrasonidos reduce el tiempo de procesamiento y logra 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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Hielscher Ultrasonics fabrica ultrasonidos de alto rendimiento para aplicaciones ecoquímicas.

Procesadores ultrasónicos de alta potencia desde laboratorio hasta escala piloto e industrial.

Literatura/Referencias

  • 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

nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono (CNTs) son parte de una clase especial de materiales de carbono unidimensionales, que exhiben propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas y ópticas excepcionales. Son un componente importante utilizado en el desarrollo y la producción de nanomateriales avanzados como nanocompuestos, polímeros reforzados, etc. y, por lo tanto, se utilizan en tecnologías de vanguardia. Los CNTs exponen una resistencia a la tracción muy alta, propiedades superiores de transferencia térmica, huecos de banda baja y una estabilidad química y física óptima, lo que hace de los nanotubos un aditivo prometedor para materiales múltiples.
Dependiendo de su estructura, los CNTS se distinguen en nanotubos de carbono de pared simple (SWNT), nanotubos de carbono de doble pared (DWCNT) y nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT).
Los SWNTs son tubos cilíndricos huecos y largos hechos de una pared de carbono de un átomo de espesor. La lámina atómica de carbonos está dispuesta en una celosía de nido de abeja. A menudo, se comparan conceptualmente con hojas enrolladas de grafito o grafito de una sola capa.
Las DWCNT están formadas por dos nanotubos de pared simple, uno dentro del otro.
Los MWNTs son una forma de CNT, donde múltiples nanotubos de carbono de una sola pared están anidados uno dentro del otro. Dado que su diámetro oscila entre 3-30 nm y como pueden crecer varios cm de largo, su alargamiento puede variar entre 10 y 10 millones. En comparación con las nanofibras de carbono, las MWNT tienen una estructura de pared diferente, un diámetro exterior más pequeño y un interior hueco. Los tipos de MWNT comúnmente utilizados en la industria son, por ejemplo, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 y FutureCarbon CNT-MW.
Síntesis de CNTs: Los CNTs pueden ser producidos por el método de síntesis basado en plasma o por el método de evaporación de descarga de arco, el método de ablación láser, el proceso de síntesis térmica, la deposición química de vapor (CVD) o la deposición química de vapor mejorada por plasma.
Funcionalización de CNTs: Para mejorar las características de los nanotubos de carbono y hacerlos más adecuados para una aplicación específica, los CNT suelen estar funcionalizados, por ejemplo, añadiendo grupos de ácido carboxílico (-COOH) o hidroxilo (-OH).

Aditivos de dispersión CNT

A few solvents such as super acids, ionic liquids, and N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone are capable to prepare relatively high-concentration dispersions of CNTs, whilst the most common solvents for nanotubes, such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), and 1,2-dichrolobenzene, can disperse nanotubes only at very low concentrations (e.g., typically <0.02 wt% of single-walled CNTs). The most common dispersion agents are polyvinylpyrrolidone (PVP), Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate (SDBS), Triton 100, or Sodium Dodecyl Sulfonate (SDS).
Cresols are a group of industrial chemicals which can process CNTs at concentrations up to tens of weight percent, resulting in a continuous transition from dilute dispersions, thick pastes, and free-standing gels to an unprecedented playdough-like state, as the CNT loading increases. These states exhibit polymer-like rheological and viscoelastic properties, which are not attainable with other common solvents, suggesting that the nanotubes are indeed disaggregated and finely dispersed in cresols. Cresols can be removed after processing by heating or washing, without altering the surface of CNTs. [Chiou et al. 2018]

Aplicaciones de las dispersiones CNT

Para utilizar las ventajas de los CNTs, deben dispersarse en un líquido como los polímeros, los CNTs uniformemente dispersos se utilizan para la fabricación de plásticos conductores, pantallas de cristal líquido, diodos emisores de luz orgánicos, pantallas táctiles, pantallas flexibles, células solares, tintas conductoras, materiales de control estático, incluyendo películas, espumas, fibras y telas, revestimientos y adhesivos poliméricos, compuestos poliméricos de alto rendimiento con una excepcional resistencia mecánica y dureza, fibras compuestas de polímero y CNT, así como materiales ligeros y antiestáticos.