Dispersion par ultrasons de nanotubes de carbone (CNT)

Les nanotubes de carbone sont résistants et flexibles, mais présentent une très forte cohésion. Ils sont difficiles à disperser dans des liquides tels que l’eau, l’éthanol, l’huile, les polymères ou les résines époxy. Les ultrasons constituent une méthode efficace pour obtenir des nanotubes de carbone distincts – dispersés individuellement.

Les nanotubes de carbone (CNT) sont utilisés dans les adhésifs, les revêtements et les polymères, ainsi que comme charges électroconductrices dans les plastiques pour dissiper les charges électrostatiques dans les équipements électriques et les panneaux de carrosserie automobile pouvant être peints par voie 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, notamment auprès d’entreprises telles que SES Research ou CNT Co., Ltd. Un procédé de désagglomération simple, fiable et transposable à plus grande échelle est nécessaire pour exploiter pleinement le potentiel des nanotubes. Pour les liquides d’une viscosité allant jusqu’à 100 000cP, les ultrasons constituent une technologie très efficace pour disperser les nanotubes dans l’eau, l’huile ou les polymères, à faible ou forte concentration. Les jets de liquide résultant de la cavitation ultrasonore surmontent les forces de liaison entre les nanotubes et les séparent. Grâce aux forces de cisaillement et aux microturbulences qu’ils génèrent, les ultrasons peuvent également faciliter le revêtement de surface des nanotubes et leur réaction chimique 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 à ultrasons équipé d’une cellule à circulation. La vidéo ci-dessous présente un essai en laboratoire (sonication par lots à l’aide d’un UP400S) consistant à disperser des nanotubes de carbone à parois multiples dans l’eau à faible concentration. En raison de la nature chimique du carbone, la dispersion des nanotubes dans l’eau est relativement difficile. Comme le montre la vidéo, il est facile de démontrer que la sonication permet de disperser efficacement les nanotubes.

Dispersion de nanotubes de carbone par ultrasons : le sonicateur Hielscher UP400S (400W) disperse et démêle rapidement et efficacement les CNTs en nanotubes individuels.

Dispersion de SWNT individuels de grande longueur

Un problème majeur dans le traitement et la manipulation des SWNT est l’insolubilité intrinsèque des nanotubes dans les solvants organiques courants et dans l’eau. La fonctionnalisation de leur paroi latérale ou de leurs extrémités ouvertes, visant à créer une interface appropriée entre les SWNT et le solvant, ne conduit le plus souvent qu’à une exfoliation partielle des faisceaux de SWNT.
Par conséquent, les SWNT sont généralement dispersés sous forme de faisceaux plutôt que sous forme d’objets individuels entièrement isolés. Lorsque des conditions trop sévères sont utilisées pendant la dispersion, les SWNT sont raccourcis à des longueurs comprises entre 80 et 200nm. Bien que cela soit utile pour certains essais, cette longueur est trop faible pour la plupart des applications pratiques, notamment celles utilisant des SWNT comme semi-conducteurs ou comme renforts. Un traitement ultrasonore doux et contrôlé (par exemple à l’aide du UP200Ht avec une sonotrode de 40mm) constitue un procédé efficace pour préparer des dispersions aqueuses de SWNT individuels de grande longueur. Des séquences de sonication douce minimisent le raccourcissement et permettent de préserver au maximum les propriétés structurales et électroniques.

Purification des SWNT par sonication assistée par un polymère

Il est difficile d’étudier la modification chimique des SWNT à l’échelle moléculaire, car il est difficile d’obtenir des SWNT purs. Les SWNT bruts de synthèse contiennent de nombreuses impuretés, telles que des particules métalliques et du carbone amorphe. La sonication de SWNT dans une solution de poly(méthacrylate de méthyle) PMMA dans du monochlorobenzène (MCB), suivie d’une filtration, constitue une méthode efficace pour purifier les SWNT. Cette méthode de purification assistée par un polymère permet d’éliminer efficacement les impuretés des SWNT bruts de synthèse. (Yudasaka et al.) Un contrôle précis de l’amplitude de sonication permet de limiter les dommages aux SWNT.

Hielscher’s : large gamme d’appareils à ultrasons et d’accessoires pour la dispersion efficace des nanotubes.

• Appareils de laboratoire compacts d’une puissance allant jusqu’à 400 watts de puissance ultrasonore pour la dispersion dans de petits volumes allant jusqu’à 2 litres
• UIP500hdT, UIP1000hdT et UIP1500hdT sont des processeurs à ultrasons capables de traiter des volumes plus importants.
• Les systèmes à ultrasons de 2kW (UIP2000hdT) et 4kW (UIP4000hdT) peuvent être utilisés pour la dispersion de nanotubes de carbone à l’échelle de la production. Le UIP10000 (10 kilowatts) et le UIP16000 (16 kilowatts) peuvent être utilisés en groupes de plusieurs unités individuelles pour le traitement à grande échelle des nanotubes de carbone. »

Bibliographie

• 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.