Comment disperser individuellement les nanotubes de carbone monoparois

Les nanotubes de carbone monoparois (SWNT ou SWCNT) ont des caractéristiques uniques, mais pour les exprimer, ils doivent être dispersés individuellement. Pour exploiter pleinement les caractéristiques exceptionnelles des nanotubes de carbone monoparois, les tubes doivent être démêlés le plus complètement possible. Les SWNT, comme d'autres nanoparticules, présentent des forces d'attraction très élevées, de sorte qu'une technique puissante et efficace est nécessaire pour une désagglomération et une dispersion fiables. Alors que les techniques de mélange courantes n'offrent pas l'intensité nécessaire pour démêler les SWNT sans les endommager, il est prouvé que les ultrasons à haute puissance démêlent et dispersent les SWCNT. Les forces de cisaillement cavitationnelles générées par les ultrasons sont suffisamment puissantes pour surmonter les forces de liaison, tandis que l'intensité des ultrasons peut être réglée avec précision pour éviter d'endommager les SWCNT.

Problème :

Les nanotubes de carbone monoparois (SWCNT) diffèrent des nanotubes de carbone multiparois (MWNT/ MWCNT) par leurs propriétés électriques. La bande interdite des SWCNT peut varier de zéro à 2 eV et leur conductivité électrique se caractérise par un comportement métallique ou semi-conducteur. Les nanotubes de carbone monoparois étant très cohésifs, l'un des principaux obstacles au traitement des SWCNT est l'insolubilité inhérente des tubes dans les solvants organiques ou l'eau. Pour utiliser tout le potentiel des SWCNT, un processus de désagglomération des tubes simple, fiable et évolutif est nécessaire. En particulier, la fonctionnalisation des parois latérales ou des extrémités ouvertes des NTC pour créer une interface appropriée entre les SWCNT et le solvant organique n'entraîne qu'une exfoliation partielle des SWCNT. Par conséquent, les SWCNT sont principalement dispersés sous forme de faisceaux plutôt que sous forme de cordes individuelles désagglomérées. Si les conditions de dispersion sont trop difficiles, les SWCNT seront raccourcis à des longueurs comprises entre 80 et 200 nm. Pour la majorité des applications pratiques, c'est-à-dire pour les SWCNT semi-conducteurs ou de renforcement, cette longueur est trop petite.

Solution :

L'ultrasonication est une méthode très efficace de dispersion et de désagglomération des nanotubes de carbone, car les ondes ultrasonores de haute intensité génèrent de la cavitation dans les liquides. Les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide entraînent une alternance de cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), dont la vitesse dépend de la fréquence. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume tel qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie, elles s'effondrent violemment au cours d'un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Lors de l'implosion, des températures (environ 5 000 K) et des pressions (environ 2 000 atm) très élevées sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation entraîne également la formation de jets de liquide dont la vitesse peut atteindre 280 m/s. Ces jets liquides résultant de l'implosion de la bulle de cavitation cavitation ultrasoniqueLe traitement par ultrasons, en particulier, permet de surmonter les forces de liaison entre les nanotubes de carbone et, par conséquent, de désagglomérer les nanotubes. Un traitement ultrasonique doux et contrôlé est une méthode appropriée pour créer des suspensions stabilisées par des tensioactifs de SWCNT dispersés de grande longueur. Pour la production contrôlée de SWCNT, les processeurs ultrasoniques de Hielscher permettent de fonctionner avec une large gamme de paramètres ultrasoniques. L'amplitude des ultrasons, la pression du liquide et la composition du liquide peuvent être modifiées respectivement en fonction du matériau et du processus spécifiques. Cela offre des possibilités d'ajustement variables, telles que

• des amplitudes de sonotrode allant jusqu'à 170 microns
• pression des liquides jusqu'à 10 bars
• débits de liquides jusqu'à 15L/min (en fonction du processus)
• températures des liquides jusqu'à 80 degrés Celsius (autres températures sur demande)
• viscosité du matériau jusqu'à 100.000cp

 

En outre, l'ultrasonication en tant que méthode de purification assistée par polymère permet d'éliminer efficacement les impuretés des SWCNT cultivés. Il est difficile d'étudier la modification chimique des SWCNT au niveau moléculaire, car il est difficile d'obtenir des SWNT purs. Les SWCNT bruts contiennent de nombreuses impuretés, telles que des particules métalliques et des carbones amorphes. L'ultrasonication des SWCNT dans une solution de monochlorobenzène (MCB) de poly(méthacrylate de méthyle) PMMA suivie d'une filtration est un moyen efficace de purifier les SWCNT. Cette méthode de purification assistée par polymère permet d'éliminer efficacement les impuretés des SWCNT cultivés. Un contrôle précis de l'amplitude des ultrasons permet d'éviter ou de limiter les dommages causés aux SWCNT.

Équipement ultrasonique

Hielscher offre des performances élevées Processeurs Ultrasons pour la sonification de chaque volume. Des appareils à ultrasons de 50 watts à 16 000 watts, qui peuvent être installés en grappes, permettent de trouver l'ultrason approprié pour chaque application, tant dans le laboratoire que dans l'industrie. Pour une dispersion sophistiquée des nanotubes, une sonication continue est recommandée. En utilisant les cellules d'écoulement de Hielscher, il devient possible de disperser les NTC dans des liquides de viscosité élevée tels que les polymères, les matières fondues à haute viscosité et les thermoplastiques.

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