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!)Los nanotubos de carbono (CNT) tienen una relación de aspecto muy alta 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 altas y una conductividad eléctrica y térmica muy alta. Debido a las fuerzas de Van der Waals, que atraen los nanotubos de carbono individuales (CNTs) entre sí, los CNTs se disponen normalmente en haces o madejas. Estas fuerzas intermoleculares de atracción se basan en un fenómeno de apilamiento π-bond entre nanotubos adyacentes conocido como π-stacking. Para obtener el máximo beneficio de los nanotubos de carbono, estos aglomerados deben desenredarse y los CNT deben distribuirse uniformemente en una dispersión homogénea. La ultrasonicación intensa crea cavitación acústica en los líquidos. La tensión de cizallamiento local así generada rompe los áridos CNT y los dispersa uniformemente en una suspensión homogénea. La tecnología de dispersión ultrasónica crea la energía de cizallamiento suficiente para lograr una separación completa de los CNTs sin dañarlos. Incluso para los SWNTs sensibles, la sonicación se aplica con éxito para desentrañarlos individualmente. La ultrasonicación sólo proporciona un nivel de tensión suficiente para separar los agregados SWNT sin causar mucha fractura a los nanotubos individuales (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.

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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.
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 una distribución uniforme de CNT. Los ultrasonidos 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 digitales de ultrasonidos de Hielscher. El protocolo de cada proceso de sonicación ayuda a asegurar resultados reproducibles y una calidad consistente. A través del control remoto del navegador, el usuario puede operar y monitorear el dispositivo ultrasónico sin tener que estar en la ubicación del sistema ultrasónico.
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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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

Algunos disolventes como los superácidos, los líquidos iónicos y la N-ciclohexil-2-pirrolidnona son capaces de preparar dispersiones de CNT de concentración relativamente alta, mientras que los disolventes más comunes para nanotubos, como la N-metil-2-pirrolidona (NMP), la dimetilformamida (DMF) y el 1,2-dicrolobenceno, pueden dispersar nanotubos sólo en concentraciones muy bajas (por ejemplo, típicamente <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.