پراکندگی یکنواخت CNTها با فراصوت‌دهی
برای بهره‌گیری از قابلیت‌های استثنایی نانولوله‌های کربنی (CNTs)، باید آن‌ها را به‌صورت همگن پراکنده کرد.
پراکنده‌سازهای فراصوتی رایج‌ترین ابزار برای توزیع CNTها در سوسپانسیون‌های آبی و مبتنی بر حلال هستند.
فناوری پراکنده‌سازی فراصوتی انرژی برشی به‌اندازهٔ کافی بالایی ایجاد می‌کند تا CNTها بدون آسیب‌دیدن، به‌طور کامل از یکدیگر جدا شوند.
پراکنده‌سازی فراصوتی نانولوله‌های کربنی
نانولوله‌های کربنی (CNTs) نسبت طول به قطر بسیار بالا، چگالی کم و مساحت سطح بسیار زیادی دارند (چند صد m2/g) که خواص منحصربه‌فردی مانند استحکام کششی، سفتی و چقرمگی بسیار بالا و رسانایی الکتریکی و حرارتی بسیار زیاد به آن‌ها می‌بخشد. به‌دلیل نیروهای واندروالس که نانولوله‌های کربنی منفرد (CNTs) را به یکدیگر جذب می‌کنند، CNTها معمولاً به‌شکل دسته‌ها یا کلاف‌ها آرایش می‌یابند. این نیروهای جاذبهٔ بین‌مولکولی بر پدیدهٔ روی‌هم‌چینی پیوندهای π بین نانولوله‌های مجاور، موسوم به روی‌هم‌چینی π، استوارند. برای بهره‌گیری کامل از مزایای نانولوله‌های کربنی، باید این کلوخه‌ها از هم باز شوند و CNTها به‌طور یکنواخت در یک دیسپرسیون همگن توزیع شوند. فراصوت‌دهی شدید در مایعات کاویتاسیون آکوستیکی ایجاد می‌کند. تنش برشی موضعی حاصل، تجمعات CNT را می‌شکند و آن‌ها را به‌طور یکنواخت در یک سوسپانسیون همگن پراکنده می‌کند. فناوری پراکنده‌سازی فراصوتی انرژی برشی به‌اندازهٔ کافی بالایی ایجاد می‌کند تا CNTها بدون آسیب‌دیدن، به‌طور کامل از یکدیگر جدا شوند. حتی برای SWNTهای حساس نیز فراصوت‌دهی با موفقیت به کار می‌رود تا آن‌ها را به‌صورت منفرد از هم باز کند. فراصوت‌دهی صرفاً سطح تنش کافی برای جداسازی تجمعات SWNT را فراهم می‌کند، بی‌آنکه شکستگی زیادی در نانولوله‌های منفرد ایجاد کند (Huang, Terentjev 2012).
- CNTهای پراکنده‌شده به‌صورت منفرد
- توزیع همگن
- کارایی بالای پراکنده‌سازی
- مقادیر بالای بارگذاری CNT
- بدون تخریب CNT
- پردازش سریع
- کنترل دقیق فرایند
UIP2000hdT – سونیکاتور پرقدرت 2kW برای دیسپرسیون‌های CNT
سامانه‌های فراصوتی با عملکرد بالا برای دیسپرسیون‌های CNT
Hielscher Ultrasonics تجهیزات فراصوتی قدرتمند و قابل‌اعتمادی برای پراکنده‌سازی کارآمد CNTها عرضه می‌کند. چه به آماده‌سازی نمونه‌های کوچک CNT برای آنالیز و تحقیق‌وتوسعه نیاز داشته باشید و چه بخواهید محموله‌های بزرگ صنعتی از دیسپرسیون‌ها را به‌صورت عمده تولید کنید، مجموعهٔ محصولات Hielscher سامانهٔ فراصوتی ایدئال را برای نیازهای شما ارائه می‌دهد. از سونیکاتورهای 50W برای آزمایشگاه تا واحدهای فراصوتی صنعتی 16kW برای تولید تجاری، Hielscher Ultrasonics نیاز شما را برآورده می‌کند.
برای تولید دیسپرسیون‌های باکیفیت نانولولهٔ کربنی، پارامترهای فرایند باید به‌خوبی کنترل شوند. دامنه، دما، فشار و زمان ماند مهم‌ترین پارامترها برای توزیع یکنواخت CNT هستند. سونیکاتورهای Hielscher نه‌تنها امکان کنترل دقیق هر پارامتر را فراهم می‌کنند، بلکه تمامی پارامترهای فرایند نیز به‌طور خودکار روی کارت SD تعبیه‌شده در سامانه‌های فراصوتی دیجیتال Hielscher ثبت می‌شوند. گزارش ثبت‌شدهٔ هر فرایند فراصوت‌دهی به تضمین نتایج تکرارپذیر و کیفیت ثابت کمک می‌کند. کاربر از طریق کنترل از راه دور مبتنی بر مرورگر می‌تواند بدون حضور در محل سامانهٔ فراصوتی، دستگاه را راهبری و پایش کند.
ازآنجاکه نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره (SWNTs) و نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWNTs)، و همچنین محیط آبی یا حلال انتخاب‌شده، به شدت‌های پردازش مشخصی نیاز دارند، دامنهٔ فراصوت عاملی کلیدی در تعیین محصول نهایی است. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics می‌توانند دامنه‌های بسیار بالا و همچنین بسیار پایین را فراهم کنند. دامنهٔ ایدئال را متناسب با نیازهای فرایند خود تعیین کنید. حتی دامنه‌هایی تا 200µm را می‌توان به‌آسانی در کارکرد 24/7 به‌طور پیوسته به کار گرفت. برای دامنه‌های بالاتر نیز سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 را تحت بار کاری سنگین و در محیط‌های دشوار فراهم می‌کند.
مشتریان ما از استحکام و قابلیت اطمینان برجستهٔ سامانه‌های Hielscher Ultrasonic رضایت دارند. نصب این سامانه‌ها در کاربردهای سنگین، محیط‌های دشوار و برای کارکرد 24/7، پردازشی کارآمد و اقتصادی را تضمین می‌کند. تشدید فرایند با فراصوت، زمان پردازش را کاهش می‌دهد و نتایج بهتری، یعنی کیفیت بالاتر، بازده بیشتر و محصولات نوآورانه، به همراه دارد.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫5 تا 1٫5mL | قابل اعمال نیست | VialTweeter |
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
پردازشگرهای فراصوتی پرتوان، از مقیاس آزمایشگاهی تا پایلوت و صنعتی.
منابع علمی / مراجع
- 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.
دانستنی‌های مفید
نانولوله‌های کربنی چیستند؟
نانولوله‌های کربنی (CNTs) به رده‌ای ویژه از مواد کربنی یک‌بعدی تعلق دارند که خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی و نوری استثنایی از خود نشان می‌دهند. آن‌ها از اجزای اصلی مورد استفاده در توسعه و تولید نانومواد پیشرفته، مانند نانوکامپوزیت‌ها، پلیمرهای تقویت‌شده و غیره هستند و ازاین‌رو در فناوری‌های روز به کار می‌روند. CNTها استحکام کششی بسیار بالا، خواص انتقال حرارت برتر، گاف‌های نواری کوچک و پایداری شیمیایی و فیزیکی بهینه‌ای دارند که نانولوله‌ها را به افزودنی امیدبخشی برای طیف متنوعی از مواد تبدیل می‌کند.
بسته به ساختار، CNTS به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره (SWNTs)، نانولوله‌های کربنی دودیواره (DWCNTs) و نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWNTs) تقسیم می‌شوند.
SWNTها لوله‌های استوانه‌ای بلند و توخالی با دیواره‌ای کربنی به ضخامت یک اتم هستند. ورقهٔ اتمی کربن در شبکه‌ای لانه‌زنبوری آرایش یافته است. آن‌ها اغلب از نظر مفهومی به ورقه‌های لوله‌شدهٔ گرافیت تک‌لایه یا گرافن تشبیه می‌شوند.
DWCNTها از دو نانولولهٔ تک‌دیواره تشکیل شده‌اند که یکی درون دیگری قرار گرفته است.
MWNTها شکلی از CNT هستند که در آن چندین نانولولهٔ کربنی تک‌دیواره درون یکدیگر قرار گرفته‌اند. ازآنجاکه قطر آن‌ها در محدودهٔ 3–30 nm است و طولشان می‌تواند به چندین cm برسد، نسبت طول به قطر آن‌ها می‌تواند از 10 تا ده میلیون متغیر باشد. MWNTها در مقایسه با نانوالیاف کربنی، ساختار دیواره‌ای متفاوت، قطر خارجی کوچک‌تر و فضای داخلی توخالی دارند. از انواع رایج MWNT که برای مصارف صنعتی در دسترس هستند، می‌توان به Baytubes® C150P، Nanocyl® NC7000، Arkema Graphistrength® C100 و FutureCarbon CNT-MW اشاره کرد.
سنتز CNTها: CNTها را می‌توان با روش سنتز مبتنی بر پلاسما یا روش تبخیر با تخلیهٔ قوس الکتریکی، روش کندوسوز لیزری، فرایند سنتز حرارتی، رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) یا رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار به‌کمک پلاسما تولید کرد.
عامل‌دارسازی CNTها: برای بهبود ویژگی‌های نانولوله‌های کربنی و درنتیجه مناسب‌تر کردن آن‌ها برای کاربردی مشخص، CNTها اغلب عامل‌دار می‌شوند؛ برای مثال، با افزودن گروه‌های کربوکسیلیک اسید (-COOH) یا هیدروکسیل (-OH).
افزودنی‌های پراکنده‌سازی CNT
برخی حلال‌ها، مانند سوپراسیدها، مایعات یونی و N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone، امکان تهیهٔ دیسپرسیون‌های CNT با غلظت نسبتاً بالا را فراهم می‌کنند؛ درحالی‌که رایج‌ترین حلال‌های نانولوله‌ها، مانند N-متیل-2-پیرولیدون (NMP)، دی‌متیل‌فرم‌آمید (DMF) و 1,2-dichrolobenzene، تنها در غلظت‌های بسیار پایین می‌توانند نانولوله‌ها را پراکنده کنند (برای مثال، معمولاً <0٫02 wt% از CNTهای تک‌دیواره). رایج‌ترین عوامل پراکنده‌ساز عبارت‌اند از پلی‌وینیل‌پیرولیدون (PVP)، سدیم دودسیل بنزن سولفونات (SDBS)، Triton 100 یا سدیم دودسیل سولفونات (SDS).
کرزول‌ها گروهی از مواد شیمیایی صنعتی هستند که امکان پردازش CNTها را در غلظت‌هایی تا چند ده درصد وزنی فراهم می‌کنند؛ به‌طوری‌که با افزایش میزان بارگذاری CNT، گذاری پیوسته از دیسپرسیون‌های رقیق، خمیرهای غلیظ و ژل‌های خودایستا به حالتی بی‌سابقه شبیه خمیر بازی رخ می‌دهد. این حالت‌ها خواص رئولوژیکی و ویسکوالاستیک شبیه پلیمرها نشان می‌دهند که با دیگر حلال‌های رایج دست‌یافتنی نیست؛ این امر حاکی از آن است که تجمعات نانولوله‌ها واقعاً از هم باز شده‌اند و نانولوله‌ها به‌صورت بسیار ریز در کرزول‌ها پراکنده شده‌اند. کرزول‌ها را می‌توان پس از پردازش، با گرم‌کردن یا شست‌وشو و بدون تغییر سطح CNTها حذف کرد. [Chiou et al. 2018]
کاربردهای دیسپرسیون‌های CNT
برای بهره‌گیری از مزایای CNTها، باید آن‌ها را در مایعی مانند پلیمرها پراکنده کرد. CNTهای یکنواخت پراکنده‌شده برای تولید پلاستیک‌های رسانا، نمایشگرهای کریستال مایع، دیودهای نورگسیل آلی، صفحه‌های لمسی، نمایشگرهای انعطاف‌پذیر، سلول‌های خورشیدی، جوهرهای رسانا، مواد کنترل الکتریسیتهٔ ساکن شامل فیلم‌ها، فوم‌ها، الیاف و پارچه‌ها، پوشش‌ها و چسب‌های پلیمری، کامپوزیت‌های پلیمری با عملکرد بالا و استحکام مکانیکی و چقرمگی استثنایی، الیاف کامپوزیتی پلیمر/CNT و همچنین مواد سبک و آنتی‌استاتیک به کار می‌روند.
کربن چه شکل‌هایی دارد؟
کربن به‌شکل چندین آلوتروپ وجود دارد، ازجمله:
- شکل‌های بلوری: الماس، گرافیت، گرافن، نانولوله‌های کربنی (CNTs)، فولرن‌ها (برای مثال، C₆₀).
- شکل‌های آمورف: زغال چوب، دوده، کربن بلک، کربن شیشه‌ای، کربن شبه‌الماسی (DLC)، کربن آمورف تک‌لایه (MAC).
- نانوساختارهای هیبریدی: نانوالماس‌ها، کربن‌های پیازی، آئروژل‌های کربنی و کامپوزیت‌هایی مانند هیبریدهای نانوکربن–فلز.
هر شکل، خواص فیزیکوشیمیایی متمایزی دارد که با کاربردهای آن در علم مواد، الکترونیک و ذخیره‌سازی انرژی مرتبط است.