CNTs dispersados uniformemente mediante ultrasonicación

Para aprovechar las funcionalidades excepcionales de los nanotubos de carbono (CNTs), es necesario dispersarlos de forma homogénea.
Los dispersores ultrasónicos son la herramienta más habitual para distribuir los CNTs en suspensiones acuosas y en suspensiones a base de disolventes.
La tecnología de dispersión ultrasónica genera una energía de cizallamiento suficientemente elevada para lograr la separación completa de los CNTs sin dañarlos.

Dispersión ultrasónica de nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono (CNTs) tienen una relación de aspecto muy elevada y presentan una baja densidad, así como una enorme superficie específica (varios cientos de m2/g), lo que les confiere propiedades únicas, como una resistencia a la tracción, una rigidez y una tenacidad muy elevadas, además de una conductividad eléctrica y térmica muy alta. Debido a las fuerzas de Van der Waals, que atraen entre sí a los nanotubos de carbono (CNTs) individuales, los CNTs suelen agruparse 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 aprovechar plenamente los nanotubos de carbono, es necesario desenredar estos aglomerados y distribuir los CNTs uniformemente en una dispersión homogénea. La ultrasonicación intensa genera cavitación acústica en los líquidos. El esfuerzo de cizallamiento local generado de este modo rompe los agregados de CNTs y los dispersa uniformemente en una suspensión homogénea. La tecnología de dispersión ultrasónica genera una energía de cizallamiento suficientemente elevada para lograr la separación completa de los CNTs sin dañarlos. Incluso en el caso de los sensibles SWNTs, la sonicación se aplica con éxito para desenredarlos individualmente. La ultrasonicación aporta un nivel de esfuerzo suficiente para separar los agregados de SWNTs sin provocar una fractura considerable de los nanotubos individuales (Huang, Terentjev 2012).

Ventajas de la dispersión ultrasónica de CNTs

CNTs dispersados individualmente
Distribución homogénea
Alta eficiencia de dispersión
Altos contenidos de CNTs
Sin degradación de los CNTs
Procesamiento rápido
Control preciso del proceso

Los nanofluidos sintetizados mediante ultrasonidos son refrigerantes y fluidos eficientes para intercambiadores de calor. Los nanomateriales termoconductores aumentan significativamente la transferencia de calor y la capacidad de disipación térmica. La sonicación es una técnica consolidada para la síntesis y funcionalización de nanopartículas termoconductoras, así como para la producción de nanofluidos estables de alto rendimiento para aplicaciones de refrigeración.

Sistemas ultrasónicos de alto rendimiento para dispersiones de CNTs

Hielscher Ultrasonics suministra equipos ultrasónicos potentes y fiables para la dispersión eficiente de CNTs. Tanto si necesita preparar pequeñas muestras de CNTs para análisis e I+D como si debe fabricar grandes lotes industriales de dispersiones a granel, la gama de productos de Hielscher ofrece el sistema ultrasónico ideal para sus necesidades. Desde sonicadores de 50 W para laboratorio hasta unidades ultrasónicas industriales de 16 kW para la fabricación comercial, Hielscher Ultrasonics cubre sus necesidades.
Para producir dispersiones de nanotubos de carbono de alta calidad, es necesario controlar adecuadamente los parámetros del proceso. La amplitud, la temperatura, la presión y el tiempo de residencia son los parámetros más críticos para lograr una distribución uniforme de los CNTs. Los sonicadores de Hielscher no solo permiten controlar con precisión cada parámetro, sino que todos los parámetros del proceso se registran automáticamente en la tarjeta SD integrada en los sistemas ultrasónicos digitales de Hielscher. El registro de cada proceso de sonicación ayuda a garantizar resultados reproducibles y una calidad constante. Mediante el control remoto a través del navegador, el usuario puede manejar y supervisar el equipo ultrasónico sin estar en el lugar donde se encuentra el sistema.
Dado que los nanotubos de carbono de pared simple (SWNTs) y los nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWNTs), así como el medio acuoso o disolvente seleccionado, requieren intensidades de procesamiento específicas, la amplitud ultrasónica es un factor clave para el producto final. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes tanto muy elevadas como muy bajas. Establezca la amplitud ideal para las necesidades de su proceso. Incluso amplitudes de hasta 200 µm pueden mantenerse fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y entornos exigentes.
Nuestros clientes están satisfechos con la extraordinaria robustez y fiabilidad de los sistemas de Hielscher Ultrasonics. Su instalación en aplicaciones de trabajo intensivo, entornos exigentes y funcionamiento 24/7 garantiza un procesamiento eficiente y económico. La intensificación de procesos mediante ultrasonidos reduce el tiempo de procesamiento y permite obtener mejores resultados, es decir, una mayor calidad, mayores rendimientos y productos innovadores.
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote	Caudal	Equipos 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.	superior	conjunto de UIP16000

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Dispersión ultrasónica de nanotubos de carbono: el sonicador Hielscher UP400S (400W) dispersa y desenreda los CNTs de forma rápida y eficiente hasta obtener nanotubos individuales.

Temas relacionados

Bibliografía / 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 de interés

Qué son los nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono (CNTs) pertenecen a una clase especial de materiales de carbono unidimensionales que presentan propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas y ópticas excepcionales. Son un componente fundamental en el desarrollo y la producción de nanomateriales avanzados, como nanocompuestos, polímeros reforzados, etc., y por ello se utilizan en tecnologías de vanguardia. Los CNTs presentan una resistencia a la tracción muy elevada, propiedades superiores de transferencia térmica, bandas prohibidas estrechas y una estabilidad química y física óptima, lo que convierte a los nanotubos en un aditivo prometedor para una gran variedad de materiales.
En función de su estructura, los CNTS se clasifican en nanotubos de carbono de pared simple (SWNTs), nanotubos de carbono de pared doble (DWCNTs) y nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWNTs).
Los SWNTs son tubos cilíndricos largos y huecos formados por una pared de carbono de un átomo de espesor. La lámina atómica de carbono se organiza en una red en forma de panal. A menudo se comparan conceptualmente con láminas enrolladas de grafito de una sola capa o de grafeno.
Los DWCNTs están formados por dos nanotubos de pared simple, uno alojado dentro del otro.
Los MWNTs son una forma de CNT en la que varios nanotubos de carbono de pared simple se alojan unos dentro de otros. Como su diámetro oscila entre 3–30 nm y pueden alcanzar varios cm de longitud, su relación de aspecto puede variar entre 10 y diez millones. En comparación con las nanofibras de carbono, los MWNTs presentan una estructura de pared diferente, un diámetro exterior menor y un interior hueco. Entre los tipos de MWNTs disponibles comercialmente y utilizados habitualmente en la industria se encuentran, por ejemplo, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 y FutureCarbon CNT-MW.
Síntesis de CNTs: Los CNTs pueden producirse mediante síntesis basada en plasma, evaporación por descarga de arco, ablación láser, síntesis térmica, deposición química de vapor (CVD) o deposición química de vapor asistida por plasma.
Funcionalización de CNTs: Para mejorar las características de los nanotubos de carbono y hacerlos más adecuados para una aplicación específica, los CNTs suelen funcionalizarse, por ejemplo, mediante la adición de grupos de ácido carboxílico (-COOH) o hidroxilo (-OH).

Aditivos para la dispersión de CNTs

Algunos disolventes, como los superácidos, los líquidos iónicos y la «N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone», permiten preparar dispersiones de CNTs de concentración relativamente alta, mientras que los disolventes más habituales para nanotubos, como la N-metil-2-pirrolidona (NMP), la dimetilformamida (DMF) y el «1,2-dichrolobenzene», solo pueden dispersar nanotubos a concentraciones muy bajas (por ejemplo, normalmente <0,02 wt% de CNTs de pared simple). Los agentes dispersantes más habituales son la polivinilpirrolidona (PVP), el dodecilbencenosulfonato de sodio (SDBS), Triton 100 o el dodecilsulfonato de sodio (SDS).
Los cresoles son un grupo de sustancias químicas industriales que permiten procesar CNTs a concentraciones de hasta decenas de puntos porcentuales en peso, lo que da lugar a una transición continua desde dispersiones diluidas, pastas espesas y geles autoportantes hasta un estado inédito similar a la plastilina, a medida que aumenta el contenido de CNTs. Estos estados presentan propiedades reológicas y viscoelásticas similares a las de los polímeros, que no pueden alcanzarse con otros disolventes habituales, lo que sugiere que los nanotubos están efectivamente desagregados y finamente dispersados en los cresoles. Los cresoles pueden eliminarse después del procesamiento mediante calentamiento o lavado, sin alterar la superficie de los CNTs. [Chiou et al. 2018]

Aplicaciones de las dispersiones de CNTs

Para aprovechar las ventajas de los CNTs, es necesario dispersarlos en un líquido, como un polímero. Los CNTs 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 para el control de la electricidad estática, incluidas películas, espumas, fibras y tejidos, recubrimientos y adhesivos poliméricos, compuestos poliméricos de alto rendimiento con una resistencia mecánica y una tenacidad excepcionales, fibras compuestas de polímero/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 (CNTs), fullerenos (por ejemplo, C₆₀).
Formas amorfas: carbón vegetal, hollín, negro de carbono, carbono vítreo, carbono tipo diamante (DLC), carbono amorfo monocapa (MAC).
Nanoestructuras híbridas: nanodiamantes, nanocebollas de carbono, aerogeles de carbono y materiales compuestos como los híbridos de nanocarbono y metal.

Cada forma presenta propiedades fisicoquímicas distintas, relevantes para aplicaciones en ciencia de materiales, electrónica y almacenamiento de energía.