Ühtlaselt dispergeeritud CNT-d ultraheli töötlusega

Süsiniknanotorude (CNT) erakordsete omaduste ärakasutamiseks tuleb need homogeenselt dispergeerida.
Ultraheli dispergaatorid on kõige levinum vahend CNT-de jaotamiseks vesi- ja lahustipõhistesse suspensioonidesse.
Ultraheli dispergeerimistehnoloogia tekitab piisavalt suure nihkeenergia, et saavutada CNT-de täielik eraldumine neid kahjustamata.

Süsiniknanotorude ultraheli dispergeerimine

Süsiniknanotorudel (CNT) on väga suur kuvasuhe ning need on väikese tihedusega ja neil on tohutu pindala (mitusada m2/g), mis annab neile ainulaadsed omadused, nagu väga suur tõmbetugevus, jäikus ja sitkus ning väga hea elektri- ja soojusjuhtivus. Van der Waalsi jõudude tõttu, mis tõmbavad üksikud süsiniknanotorud (CNT) üksteise poole, paiknevad CNT-d tavaliselt kimpudes või salkudes. Need molekulidevahelised külgetõmbejõud põhinevad naabruses asuvate nanotorude vahelisel π-sidemete kuhjumise nähtusel, mida nimetatakse π-stacking’uks. Süsiniknanotorude täielikuks ärakasutamiseks tuleb need aglomeraadid lahti harutada ning CNT-d tuleb ühtlaselt jaotada homogeenses dispersioonis. Intensiivne ultraheli töötlus tekitab vedelikes akustilise kavitatsiooni. Sellega tekkiv lokaalne nihkepinge lõhub CNT agregaate ja dispergeerib need ühtlaselt homogeenses suspensioonis. Ultraheli dispergeerimistehnoloogia tekitab piisavalt suure nihkeenergia, et saavutada CNT-de täielik eraldumine neid kahjustamata. Isegi tundlike SWNT-de puhul rakendatakse sonikeerimist edukalt nende üksikuteks harutamiseks. Ultraheli töötlus annab just piisava pingetaseme SWNT agregaatide eraldamiseks, põhjustamata üksikutele nanotorudele palju purunemisi (Huang, Terentjev 2012).

Ultraheli CNT dispergeerimise eelised

Üksikuteks dispergeeritud CNT-d
Homogeenne jaotumine
Kõrge dispergeerimise efektiivsus
Suur CNT sisaldus
CNT-de lagunemist ei toimu
Kiire töötlus
Täpne protsessi juhtimine

Ultraheliga sünteesitud nanovedelikud on tõhusad jahutus- ja soojusvahetusvedelikud. Soojust juhtivad nanomaterjalid suurendavad märkimisväärselt soojusülekande- ja soojuse hajutamise võimet. Ultrahelitöötlus on laialdaselt kasutusel nii soojust juhtivate nanoosakeste sünteesimisel ja funktsionaliseerimisel kui ka stabiilsete ja suure jõudlusega nanovedelike tootmisel jahutusrakendusteks.

Suure jõudlusega ultrahelisüsteemid CNT dispersioonide jaoks

Hielscher Ultrasonics pakub võimsaid ja töökindlaid ultraheliseadmeid CNT-de tõhusaks dispergeerimiseks. Olenemata sellest, kas peate valmistama väikeseid CNT proove analüüsiks ja teadus- ja arendustööks või tootma suuri tööstuslikke partiisid mahtdispersioone, pakub Hielscheri tootevalik teie nõuetele ideaalset ultrahelisüsteemi. Alates 50W sonikaatoritest laboratoorseks kasutuseks kuni 16kW tööstuslike ultraheliseadmeteni kommertstootmiseks on Hielscher Ultrasonics teie jaoks olemas.
Kvaliteetsete süsiniknanotorude dispersioonide valmistamiseks tuleb protsessiparameetreid hästi kontrollida. Amplituud, temperatuur, rõhk ja viibeaeg on ühtlase CNT jaotuse jaoks kõige kriitilisemad parameetrid. Hielscheri sonikaatorid mitte ainult ei võimalda iga parameetrit täpselt juhtida, vaid kõik protsessiparameetrid salvestatakse automaatselt Hielscheri digitaalsete ultrahelisüsteemide integreeritud SD-kaardile. Iga ultraheli töötluse protokoll aitab tagada reprodutseeritavad tulemused ja ühtlase kvaliteedi. Kaugjuhtimise brauseri kaudu saab kasutaja ultraheliseadet juhtida ja jälgida, olemata ultrahelisüsteemi asukohas.
Kuna ühe seinaga süsiniknanotorud (SWNT) ja mitme seinaga süsiniknanotorud (MWNT) ning valitud vesi- või lahustikeskkond nõuavad konkreetset töötlusintensiivsust, on ultraheli amplituud lõpptoote seisukohast võtmetegur. Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud ultrahelitöötlejad suudavad anda nii väga suuri kui ka väga õrnu amplituude. Määrake oma protsessinõuetele ideaalne amplituud. Isegi kuni 200µm amplituudidega saab hõlpsasti pidevalt töötada ööpäevaringses 24/7 režiimis. Veel suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Hielscheri ultraheliseadmete vastupidavus võimaldab 24/7 töötamist raskes töörežiimis ja nõudlikes keskkondades.
Meie kliente rahuldab Hielscher Ultrasonic süsteemide silmapaistev vastupidavus ja töökindlus. Paigaldus raskete rakenduste valdkondades, nõudlikes keskkondades ja 24/7 töörežiimis tagab tõhusa ja ökonoomse töötlemise. Ultraheli protsessi intensiivistamine lühendab töötlusaega ja annab paremaid tulemusi, st kõrgemat kvaliteeti, suuremat saagist ja uuenduslikke tooteid.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Partii maht	Vooluhulk	Soovitatavad seadmed
0,5 kuni 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 kuni 500mL	10 kuni 200mL/min	UP100H
10 kuni 2000mL	20 kuni 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 kuni 20L	0,2 kuni 4L/min	UIP2000hdT
10 kuni 100L	2 kuni 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 kuni 100L/min	UIP16000
n.a.	suurem	klaster seadmetest UIP16000

Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!

Süsiniknanotorude ultrahelidispergeerimine: Hielscher ultraheliseade UP400S (400W) dispergeerib ja harutab süsiniknanotorude kogumid kiiresti ja tõhusalt lahti üksikuteks nanotorudeks.

Seotud teemad

Kirjandus / viited

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.

Teadmisi, mida tasub teada

Mis on süsiniknanotorud

Süsiniknanotorud (CNT) kuuluvad ühemõõtmeliste süsinikmaterjalide erilisse klassi, millel on erakordsed mehaanilised, elektrilised, termilised ja optilised omadused. Need on oluline komponent täiustatud nanomaterjalide, näiteks nanokomposiitide, tugevdatud polümeeride jms väljatöötamisel ja tootmisel ning seetõttu kasutatakse neid tipptehnoloogiates. CNT-del on väga suur tõmbetugevus, suurepärased soojusülekande omadused, kitsas keelutsoon ning optimaalne keemiline ja füüsikaline stabiilsus, mistõttu on nanotorud paljutõotav lisand mitmesugustele materjalidele.
Sõltuvalt struktuurist eristatakse CNTS ühe seinaga süsiniknanotorusid (SWNT), kahe seinaga süsiniknanotorusid (DWCNT) ja mitme seinaga süsiniknanotorusid (MWNT).
SWNT-d on õõnsad, pikad silindrilised torud, mis on valmistatud ühe aatomi paksusest süsinikseinast. Süsinikuaatomite aatomikiht on paigutatud kärgstruktuurset võret moodustavalt. Neid võrreldakse sageli kontseptuaalselt kokkurullitud ühekihilise grafiidi või grafeeni lehtedega.
DWCNT-d koosnevad kahest ühe seinaga nanotorust, millest üks asub teise sees.
MWNT-d on CNT vorm, kus mitu ühe seinaga süsiniknanotoru on paigutatud üksteise sisse. Kuna nende läbimõõt on vahemikus 3–30 nm ja nad võivad kasvada mitme cm pikkuseks, võib nende kuvasuhe olla vahemikus 10 kuni kümme miljonit. Võrreldes süsiniknanokiududega on MWNT-del erinev seinastruktuur, väiksem välisläbimõõt ja õõnes sisemus. Tavaliselt kasutatavad tööstuslikult kättesaadavad MWNT tüübid on nt Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 ja FutureCarbon CNT-MW.
CNT-de süntees: CNT-sid saab toota plasmapõhise sünteesimeetodi või kaarlahenduse aurustamismeetodi, laserablatsioonimeetodi, termilise sünteesiprotsessi, keemilise aurustussadestamise (CVD) või plasmatoetatud keemilise aurustussadestamise abil.
CNT-de funktsionaliseerimine: Süsiniknanotorude omaduste parandamiseks ja nende sobivamaks muutmiseks konkreetseks rakenduseks funktsionaliseeritakse CNT-sid sageli, nt lisades karboksüülhappe (-COOH) või hüdroksüül- (-OH) rühmi.

CNT dispergeerivad lisandid

Mõned lahustid, nagu superhapped, ioonsed vedelikud ja N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, suudavad valmistada CNT-de suhteliselt kõrge kontsentratsiooniga dispersioone, samas kui nanotorude kõige levinumad lahustid, nagu N-metüül-2-pürrolidoon (NMP), dimetüülformamiid (DMF) ja 1,2-dichrolobenzene, suudavad nanotorusid dispergeerida ainult väga madalatel kontsentratsioonidel (nt tavaliselt <0,02 wt% ühe seinaga CNT-sid). Kõige levinumad dispergeerivad ained on polüvinüülpürrolidoon (PVP), naatriumdodetsüülbenseensulfonaat (SDBS), Triton 100 või naatriumdodetsüülsulfonaat (SDS).
Kresoolid on tööstuslike kemikaalide rühm, mis suudab töödelda CNT-sid kontsentratsioonidel kuni kümnete massiprotsentideni, mille tulemusel toimub CNT sisalduse suurenedes pidev üleminek lahjadest dispersioonidest paksude pastade ja iseseisvalt püsivate geelide kaudu enneolematu mänguplastiliini-taolise olekuni. Nendel olekutel on polümeeridele omased reoloogilised ja viskoelastsed omadused, mis ei ole teiste tavaliste lahustitega saavutatavad, mis viitab sellele, et nanotorud on kresoolides tõepoolest agregaatidest lahutatud ja peenelt dispergeeritud. Kresoole saab pärast töötlemist eemaldada kuumutamise või pesemisega, muutmata CNT-de pinda. [Chiou et al. 2018]

CNT dispersioonide rakendused

CNT-de eeliste kasutamiseks tuleb need dispergeerida vedelikku, näiteks polümeeridesse. Ühtlaselt dispergeeritud CNT-sid kasutatakse juhtivate plastide, vedelkristallekraanide, orgaaniliste valgusdioodide, puuteekraanide, painduvate ekraanide, päikesepatareide, juhtivate tintide, staatilist elektrit reguleerivate materjalide, sealhulgas kilede, vahtude, kiudude ja kangaste, polümeerkatete ja liimide, erakordse mehaanilise tugevuse ja sitkusega suure jõudlusega polümeerkomposiitide, polümeeri/CNT komposiitkiudude ning kergete ja antistaatiliste materjalide tootmiseks.

Milised on süsiniku vormid?
Süsinikul on mitu allotroopi, sealhulgas:

Kristalsed vormid: teemant, grafiit, grafeen, süsiniknanotorud (CNT), fullereenid (nt C₆₀).
Amorfsed vormid: puusüsi, tahm, tehnilise süsiniku must, klaassüsinik, teemanditaoline süsinik (DLC), monokihiline amorfne süsinik (MAC).
Hübriidsed nanostruktuurid: nanoteemandid, süsiniksibulad, süsinikaerogeelid ja komposiidid, näiteks nanosüsiniku-metalli hübriidid.

Igal vormil on eristuvad füüsikalis-keemilised omadused, mis on olulised materjaliteaduse, elektroonika ja energiasalvestuse rakendustes.