Dispersion ultrasonique des nanotubes de carbone (NTC)

Les nanotubes de carbone sont solides et flexibles, mais très cohésifs. Ils sont difficiles à disperser dans des liquides tels que l'eau, l'éthanol, l'huile, les polymères ou les résines époxy. Les ultrasons sont une méthode efficace pour obtenir des nanotubes de carbone discrets. – à dispersion unique – les nanotubes de carbone.

Les nanotubes de carbone (NTC) sont utilisés dans les adhésifs, les revêtements et les polymères, ainsi que comme charges conductrices d'électricité dans les plastiques pour dissiper les charges statiques dans les équipements électriques et dans les panneaux de carrosserie automobile pouvant être peints par électrostatique. L'utilisation de nanotubes permet de rendre les polymères plus résistants aux températures, aux produits chimiques agressifs, aux environnements corrosifs, aux pressions extrêmes et à l'abrasion. Il existe deux catégories de nanotubes de carbone : Les nanotubes à paroi unique (SWNT) et les nanotubes à parois multiples (MWNT).

Les nanotubes de carbone sont généralement disponibles sous forme sèche, par exemple auprès d'entreprises telles que Recherche sur le SES ou CNT Co. Un processus de désagglomération simple, fiable et évolutif est nécessaire afin d'utiliser les nanotubes au maximum de leur potentiel. Pour les liquides jusqu'à 100 000 cP, les ultrasons sont une technologie très efficace pour disperser les nanotubes dans l'eau, l'huile ou les polymères à des concentrations faibles ou élevées. Les jets de liquide résultant de l'utilisation des cavitation ultrasoniqueLes forces de cisaillement et les microturbulences générées par les ultrasons permettent de surmonter les forces de liaison entre les nanotubes et de séparer les tubes. Grâce aux forces de cisaillement et aux microturbulences générées par les ultrasons, ces derniers peuvent également contribuer au revêtement de surface et à la réaction chimique des nanotubes avec d'autres matériaux.

En général, une dispersion grossière de nanotubes est d'abord prémélangée à l'aide d'un agitateur standard, puis homogénéisée dans le réacteur ultrasonique de la cellule d'écoulement. La vidéo ci-dessous montre un essai en laboratoire (sonication par lots à l'aide d'un agitateur à ultrasons). UP400S) dispersant les nanotubes de carbone multi-parois dans l'eau à faible concentration. En raison de la nature chimique du carbone, la dispersion des nanotubes dans l'eau est assez difficile. Comme le montre la vidéo, il est facile de démontrer que les ultrasons sont capables de disperser efficacement les nanotubes.

Dispersion de SWNT individuels de grande longueur

L'insolubilité inhérente des tubes dans les solvants organiques courants et dans l'eau constitue un problème majeur pour le traitement et la manipulation des SWNT. La fonctionnalisation de la paroi latérale des nanotubes ou des extrémités ouvertes pour créer une interface appropriée entre les SWNT et le solvant conduit généralement à une exfoliation partielle des câbles de SWNT, uniquement.
Par conséquent, les SWNT sont généralement dispersés sous forme de faisceaux plutôt que sous forme d'objets individuels totalement isolés. Lorsque des conditions trop difficiles sont utilisées pendant la dispersion, les SWNT sont raccourcis à des longueurs comprises entre 80 et 200 nm. Bien que cela soit utile pour certains tests, cette longueur est trop faible pour la plupart des applications pratiques, telles que les SWNT semi-conducteurs ou les SWNT de renforcement. Un traitement ultrasonique doux et contrôlé (par exemple par UP200Ht avec sonotrode de 40 mm) est une procédure efficace pour préparer des dispersions aqueuses de longs SWNT individuels. Des séquences d'ultrasons doux minimisent le raccourcissement et permettent une préservation maximale des propriétés structurelles et électroniques.

Purification des SWNT par ultrasonication assistée par polymères

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

Hielscher's large gamme de dispositifs à ultrasons et accessoires pour la dispersion efficace des nanotubes.

• Appareils de laboratoire compacts de jusqu'à 400 watts de puissance ultrasonore pour la dispersion en petits volumes jusqu'à 2 litres
• UIP500hdT, UIP1000hdT et UIP1500hdT sont des processeurs à ultrasons qui peuvent traiter des volumes plus importants.
• Systèmes à ultrasons de 2kW (UIP2000hdT) et 4kW (UIP4000hdT) peut être utilisé pour la dispersion de nanotubes de carbone à l'échelle de la production. UIP10000 (10 kilowatts) et le UIP16000 (16 kilowatts) peut être utilisé en grappes de plusieurs unités individuelles pour le traitement à grande échelle des nanotubes de carbone.”

Littérature

• 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.