Tasaisesti dispergoidut CNT:t ultraäänikäsittelyllä
Hiilinanoputkien (CNT) poikkeuksellisten toiminnallisten ominaisuuksien hyödyntäminen edellyttää niiden homogeenista dispergointia.
Ultraäänidispergointilaitteet ovat yleisin väline CNT:iden jakamiseen vesi- ja liuotinpohjaisiin suspensioihin.
Ultraäänidispergointitekniikka tuottaa riittävän suuren leikkausenergian CNT:iden täydelliseen erottamiseen toisistaan niitä vahingoittamatta.
Hiilinanoputkien ultraäänidispergointi
Hiilinanoputkilla (CNT) on erittäin suuri pituuden ja halkaisijan suhde, pieni tiheys sekä valtava ominaispinta-ala (useita satoja m2/g), mikä antaa niille ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten erittäin suuren vetolujuuden, jäykkyyden ja sitkeyden sekä erittäin suuren sähkön- ja lämmönjohtavuuden. Yksittäisiä hiilinanoputkia (CNT) toisiaan kohti vetävien van der Waalsin voimien vuoksi CNT:t järjestäytyvät tavallisesti kimpuiksi tai vyyhdeiksi. Nämä molekyylien väliset vetovoimat perustuvat vierekkäisten nanoputkien väliseen π-sidosten pinoutumisilmiöön, joka tunnetaan π-pinoutumisena. Hiilinanoputkien kaikkien etujen hyödyntämiseksi nämä agglomeraatit on purettava ja CNT:t on jaettava tasaisesti homogeeniseen dispersioon. Voimakas ultraäänikäsittely synnyttää nesteissä akustista kavitaatiota. Sen tuottama paikallinen leikkausjännitys hajottaa CNT-aggregaatteja ja dispergoi ne tasaisesti homogeeniseen suspensioon. Ultraäänidispergointitekniikka tuottaa riittävän suuren leikkausenergian CNT:iden täydelliseen erottamiseen toisistaan niitä vahingoittamatta. Ultraäänikäsittelyä käytetään onnistuneesti jopa herkkien SWNT:iden erottamiseen yksittäisiksi nanoputkiksi. Ultraäänikäsittely tuottaa juuri riittävän jännitystason SWNT-aggregaattien erottamiseen aiheuttamatta juurikaan yksittäisten nanoputkien murtumista (Huang, Terentjev 2012).
- Yksittäisinä dispergoidut CNT:t
- Homogeeninen jakautuminen
- Suuri dispergointitehokkuus
- Suuret CNT-pitoisuudet
- Ei CNT:iden vaurioitumista
- Nopea käsittely
- Tarkka prosessinhallinta
UIP2000hdT – tehokas 2 kW:n ultraäänilaite CNT-dispersioille
Suorituskykyiset ultraäänijärjestelmät CNT-dispersioille
Hielscher Ultrasonics toimittaa tehokkaita ja luotettavia ultraäänilaitteita CNT:iden tehokkaaseen dispergointiin. Olipa sinun valmistettava pieniä CNT-näytteitä analyysia sekä tutkimusta ja kehitystä varten tai valmistettava suuria teollisia tuotantoeriä dispersioita, Hielscherin tuotevalikoimasta löytyy vaatimuksiisi ihanteellisesti sopiva ultraäänijärjestelmä. Valikoima ulottuu 50 W:n ultraäänilaitteista laboratoriokäyttöön aina 16 kW:n teollisiin ultraäänilaitteisiin kaupallista valmistusta varten, joten Hielscher Ultrasonics vastaa tarpeisiisi.
Laadukkaiden hiilinanoputkidispersioiden tuottaminen edellyttää prosessiparametrien hyvää hallintaa. Amplitudi, lämpötila, paine ja viipymäaika ovat kriittisimmät parametrit CNT:iden tasaisen jakautumisen kannalta. Hielscherin ultraäänilaitteet mahdollistavat jokaisen parametrin tarkan hallinnan, ja lisäksi kaikki prosessiparametrit tallennetaan automaattisesti Hielscherin digitaalisiin ultraäänijärjestelmiin integroidulle SD-kortille. Jokaisesta ultraäänikäsittelystä tallennettava loki auttaa varmistamaan toistettavat tulokset ja tasaisen laadun. Selaimen kautta tapahtuvan etäohjauksen avulla käyttäjä voi käyttää ja valvoa ultraäänilaitetta olematta ultraäänijärjestelmän sijaintipaikassa.
Koska yksiseinäiset hiilinanoputket (SWNT) ja moniseinäiset hiilinanoputket (MWNT) sekä valittu vesipohjainen väliaine tai liuotin vaativat tietyn käsittelyintensiteetin, ultraäänen amplitudi on lopputuotteen kannalta keskeinen tekijä. Hielscher Ultrasonicsin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa sekä erittäin suuria että erittäin pieniä amplitudeja. Määritä prosessisi vaatimuksiin ihanteellisesti sopiva amplitudi. Jopa 200 µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-käytössä. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa 24/7-käytön raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä.
Asiakkaamme ovat tyytyväisiä Hielscher Ultrasonicin järjestelmien erinomaiseen kestävyyteen ja luotettavuuteen. Asennukset raskaisiin käyttökohteisiin, vaativiin ympäristöihin ja 24/7-käyttöön varmistavat tehokkaan ja taloudellisen käsittelyn. Prosessin tehostaminen ultraäänellä lyhentää käsittelyaikaa ja tuottaa parempia tuloksia eli parempaa laatua, suurempia saantoja ja innovatiivisia tuotteita.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erätilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 0,5–1,5 mL | n.a. | VialTweeter |
| 1–500 mL | 10–200 mL/min | UP100H |
| 10–2 000 mL | 20–400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20 L | 0,2–4 L/min | UIP2000hdT |
| 10–100 L | 2–10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | laiteryhmä, joka koostuu laitteista UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Suuritehoiset ultraääniprosessorit laboratorio-, pilotti- ja teolliseen mittakaavaan.
Kirjallisuus / Lähteet
- 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.
Hyödyllistä tietoa
Mitä hiilinanoputket ovat
Hiilinanoputket (CNT) kuuluvat yksiulotteisten hiilimateriaalien erityisluokkaan, jolla on poikkeuksellisia mekaanisia, sähköisiä, termisiä ja optisia ominaisuuksia. Ne ovat keskeinen komponentti edistyneiden nanomateriaalien, kuten nanokomposiittien, lujitettujen polymeerien jne., kehittämisessä ja valmistuksessa, ja siksi niitä käytetään uusimmissa teknologioissa. CNT:illä on erittäin suuri vetolujuus, ylivertaiset lämmönsiirto-ominaisuudet, pienet kielletyt energiavyöt sekä optimaalinen kemiallinen ja fysikaalinen stabiilisuus, mikä tekee nanoputkista lupaavan lisäaineen monenlaisiin materiaaleihin.
Rakenteensa perusteella CNTS jaetaan yksiseinäisiin hiilinanoputkiin (SWNT), kaksiseinäisiin hiilinanoputkiin (DWCNT) ja moniseinäisiin hiilinanoputkiin (MWNT).
SWNT:t ovat onttoja, pitkiä sylinterimäisiä putkia, joiden hiiliseinä on yhden atomin paksuinen. Hiiliatomikerros on järjestäytynyt hunajakennon muotoiseksi hilaksi. Niitä verrataan usein käsitteellisesti rullalle kierrettyihin yksikerroksisiin grafiitti- tai grafeenilevyihin.
DWCNT:t koostuvat kahdesta yksiseinäisestä nanoputkesta, joista toinen on toisen sisällä.
MWNT:t ovat CNT-muoto, jossa useita yksiseinäisiä hiilinanoputkia on sisäkkäin. Koska niiden halkaisija on 3–30 nm ja ne voivat kasvaa usean cm:n pituisiksi, niiden pituuden ja halkaisijan suhde voi vaihdella 10:stä kymmeneen miljoonaan. Hiilinanokuituihin verrattuna MWNT:illä on erilainen seinämärakenne, pienempi ulkohalkaisija ja ontto sisäosa. Yleisesti käytettyjä teollisesti saatavilla olevia MWNT-tyyppejä ovat esimerkiksi Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 ja FutureCarbon CNT-MW.
CNT:iden synteesi: CNT:itä voidaan tuottaa plasmapohjaisella synteesimenetelmällä tai kaaripurkaushaihdutuksella, laserablaatiolla, termisellä synteesiprosessilla, kemiallisella kaasufaasipinnoituksella (CVD) tai plasma-avusteisella kemiallisella kaasufaasipinnoituksella.
CNT:iden funktionalisointi: Hiilinanoputkien ominaisuuksien parantamiseksi ja niiden soveltuvuuden lisäämiseksi tiettyyn käyttötarkoitukseen CNT:itä funktionalisoidaan usein esimerkiksi lisäämällä karboksyylihappo- (-COOH) tai hydroksyyliryhmiä (-OH).
CNT:iden dispergointilisäaineet
Muutamilla liuottimilla, kuten superhapoilla, ionisilla nesteillä ja liuottimella N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, voidaan valmistaa suhteellisen suuripitoisuuksisia CNT-dispersioita, kun taas nanoputkien yleisimmät liuottimet, kuten N-metyyli-2-pyrrolidoni (NMP), dimetyyliformamidi (DMF) ja 1,2-dichrolobenzene, voivat dispergoida nanoputkia vain hyvin pieninä pitoisuuksina (esim. tyypillisesti <0,02 wt% yksiseinäisiä CNT:itä). Yleisimmät dispergointiaineet ovat polyvinyylipyrrolidoni (PVP), natriumdodekyylibentseenisulfonaatti (SDBS), Triton 100 tai natriumdodekyylisulfonaatti (SDS).
Kresolit ovat teollisuuskemikaalien ryhmä, jonka avulla CNT:itä voidaan käsitellä jopa kymmenien painoprosenttien pitoisuuksina. CNT-pitoisuuden kasvaessa syntyy jatkuva siirtymä laimeista dispersioista paksujen tahnojen ja itsenäisesti koossa pysyvien geelien kautta ennennäkemättömään muovailuvahan kaltaiseen tilaan. Näissä tiloissa ilmenee polymeerien kaltaisia reologisia ja viskoelastisia ominaisuuksia, joita muilla yleisillä liuottimilla ei voida saavuttaa. Tämä viittaa siihen, että nanoputket ovat todella erottuneet aggregaateistaan ja dispergoituneet hienojakoisesti kresoleihin. Kresolit voidaan poistaa käsittelyn jälkeen kuumentamalla tai pesemällä muuttamatta CNT:iden pintaa. [Chiou et al. 2018]
CNT-dispersioiden käyttökohteet
CNT:iden etujen hyödyntämiseksi ne on dispergoitava nesteeseen, kuten polymeereihin. Tasaisesti dispergoituja CNT:itä käytetään johtavien muovien, nestekidenäyttöjen, orgaanisten valodiodien, kosketusnäyttöjen, taipuisien näyttöjen, aurinkokennojen, johtavien musteiden, staattisen sähkön hallintaan tarkoitettujen materiaalien, kuten kalvojen, vaahtojen, kuitujen ja kankaiden, polymeeripinnoitteiden ja liimojen, suorituskykyisten ja poikkeuksellisen mekaanisen lujuuden ja sitkeyden omaavien polymeerikomposiittien, polymeeri/CNT-komposiittikuitujen sekä kevyiden ja antistaattisten materiaalien valmistuksessa.
Mitä hiilen muotoja on olemassa?
Hiilellä on useita allotrooppisia muotoja, kuten:
- Kiteiset muodot: timantti, grafiitti, grafeeni, hiilinanoputket (CNT), fullereenit (esim. C₆₀).
- Amorfiset muodot: puuhiili, noki, hiilimusta, lasimainen hiili, timantin kaltainen hiili (DLC), yksikerroksinen amorfinen hiili (MAC).
- Hybridinanorakenteet: nanotimantit, hiilisipulit, hiiliaerogeelit ja komposiitit, kuten nanohiili-metallihybridit.
Kullakin muodolla on omat fysikaalis-kemialliset ominaisuutensa, jotka ovat merkityksellisiä materiaalitieteen, elektroniikan ja energian varastoinnin sovelluksissa.