Süsiniknanotorude (CNT) dispergeerimine ultrahelis
Süsiniknanotorud on tugevad ja painduvad, kuid väga kohesiivsed. Neid on raske dispergeerida vedelikesse, nagu vesi, etanool, õli, polümeer või epoksüvaik. Ultraheli on tõhus meetod diskreetsete – üksikdispergeeritud – süsiniknanotorude saamiseks.
Süsiniknanotorusid (CNT) kasutatakse liimides, pinnakatetes ja polümeerides ning elektrit juhtivate täiteainetena plastides, et hajutada staatilisi laenguid elektriseadmetes ja elektrostaatiliselt värvitavates autode kerepaneelides. Nanotorude abil saab polümeere muuta vastupidavamaks temperatuuridele, agressiivsetele kemikaalidele, korrodeerivatele keskkondadele, äärmuslikele rõhkudele ja abrasioonile. Süsiniknanotorusid on kahte kategooriat: ühekihilised nanotorud (SWNT) ja mitmekihilised nanotorud (MWNT).
Tööstuslik ultraheli homogenisaator UIP1500hdT süsiniknanotorude (CNT) ja muude nanomaterjalide dispergeerimiseks.
Süsiniknanotorud on üldjuhul saadaval kuiva materjalina, nt sellistelt ettevõtetelt nagu SES Research või CNT Co., Ltd. Nanotorude maksimaalse potentsiaali ärakasutamiseks on vaja lihtsat, usaldusväärset ja skaleeritavat deaglomeratsiooniprotsessi. Kuni 100 000cP viskoossusega vedelike puhul on ultraheli väga tõhus tehnoloogia nanotorude dispergeerimiseks vees, õlis või polümeerides nii madalate kui ka kõrgete kontsentratsioonide juures. Vedelikujoad, mis tekivad ultraheli kavitatsioonist, ületavad nanotorude vaheliseid sidumisjõude ja eraldavad torud teineteisest. Ultraheli abil tekkivate nihkejõudude ja mikroturbulentside tõttu võib ultraheli aidata kaasa ka nanotorude pindkattele ja keemilisele reaktsioonile teiste materjalidega.
Üldjuhul eelsegatakse jäme nanotorude dispersioon kõigepealt standardse segistiga ja seejärel homogeniseeritakse ultraheli läbivoolukambriga reaktoris. Allolev video näitab laborikatset (perioodiline sonikeerimine seadmega UP400S), kus dispergeeritakse mitmekihilisi süsiniknanotorusid vees madalal kontsentratsioonil. Süsiniku keemilise olemuse tõttu on nanotorude dispergeerumine vees üsna keeruline. Nagu videos näidatud, saab hõlpsasti demonstreerida, et ultraheli töötlus (sonikeerimine) suudab nanotorusid tõhusalt dispergeerida.
Erinevate nanotäiteainete võrdlus, mis on kõvendis dispergeeritud sondtüüpi ultraheli töötlusega): (a) 0,5 wt% süsiniknanokiud (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxid; (c) 0,5 wt% süsiniknanotoru (CNT); (d) 0,5 wt% CNT poolenisti dispergeeritud.
Uuring ja pilt: ©Zanghellini et al., 2021
Pikkade üksikute SWNT-de dispergeerimine
SWNT-de töötlemise ja käsitsemise peamine probleem on torude loomulik lahustumatus tavalistes orgaanilistes lahustites ja vees. Nanotoru külgseina või avatud otste funktsionaliseerimine SWNT-de ja lahusti vahel sobiva piirpinna loomiseks viib enamasti vaid SWNT-kimpude osalise lahtiharunemiseni.
Seetõttu dispergeeruvad SWNT-d tavaliselt kimpudena, mitte täielikult isoleeritud üksikobjektidena. Kui dispergeerimisel kasutatakse liiga karme tingimusi, lüheneb SWNT-de pikkus 80–200nm-ni. Kuigi see on mõnede testide jaoks kasulik, on see pikkus enamiku praktiliste rakenduste, näiteks pooljuhtivate või tugevdavate SWNT-de jaoks, liiga väike. Kontrollitud, leebe ultraheliga töötlemine (nt seadmega UP200Ht 40mm sonotroodiga) on tõhus meetod pikkade üksikute SWNT-de vesidispersioonide valmistamiseks. Leebe ultraheli töötluse (sonikeerimise) järjestused minimeerivad lühenemist ja võimaldavad struktuursete ning elektrooniliste omaduste maksimaalset säilimist.
SWNT puhastamine polümeeri abil ultraheli töötlusega
SWNT-de keemilist modifitseerimist molekulaarsel tasemel on raske uurida, sest puhaste SWNT-de saamine on keeruline. Kasvatatud SWNT-d sisaldavad palju lisandeid, näiteks metalliosakesi ja amorfset süsinikku. SWNT-de ultraheli töötlus (sonikeerimine) polü(metüülmetakrülaadi) PMMA monoklorobenseenilahuses (MCB), millele järgneb filtreerimine, on tõhus viis SWNT-de puhastamiseks. See polümeeri abil toimuv puhastusmeetod võimaldab kasvatatud SWNT-dest lisandeid tõhusalt eemaldada. (Yudasaka et al.) Ultraheli töötluse amplituudi täpne kontroll võimaldab SWNT-de kahjustusi piirata.
Hielscheri lai ultraheliseadmete valik ja lisatarvikud nanotorude tõhusaks dispergeerimiseks.
- Kompaktsed laboriseadmed võimsusega kuni 400 vatti ultraheli võimsust dispergeerimiseks väiksemates mahtudes kuni 2 liitrit
- UIP500hdT, UIP1000hdT ja UIP1500hdT on ultraheliprotsessorid, mis suudavad töödelda suuremaid mahtusid.
- Ultraheli süsteeme võimsusega 2kW (UIP2000hdT) ja 4kW (UIP4000hdT) saab kasutada süsiniknanotorude dispergeerimiseks tootmismahus. Seadmeid UIP10000 (10 kilovatti) ja UIP16000 (16 kilovatti) saab kasutada mitme üksiku seadme klastrites süsiniknanotorude suuremahuliseks töötlemiseks.”
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Kirjandus
- 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.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laborist kuni tööstusliku suuruseni.