CNT uniformément dispersés par ultrasonication

Informations utiles

Que sont les nanotubes de carbone ?

Les nanotubes de carbone (CNT) appartiennent à une catégorie particulière de matériaux carbonés unidimensionnels présentant des propriétés mécaniques, électriques, thermiques et optiques exceptionnelles. Ils constituent un composant majeur utilisé dans le développement et la production de nanomatériaux avancés, tels que les nanocomposites, les polymères renforcés, etc., et sont donc employés dans des technologies de pointe. Les CNT présentent une très forte résistance à la traction, des propriétés supérieures de transfert thermique, de faibles bandes interdites et une stabilité chimique et physique optimale, ce qui fait des nanotubes un additif prometteur pour de nombreux matériaux.
Selon leur structure, on distingue les nanotubes de carbone à simple paroi (SWNT), à double paroi (DWCNT) et à parois multiples (MWNT).
Les SWNT sont de longs tubes cylindriques creux constitués d’une paroi de carbone d’un atome d’épaisseur. La couche atomique de carbone est organisée en un réseau en nid d’abeilles. Sur le plan conceptuel, on les compare souvent à des feuillets monocouches de graphite ou de graphène enroulés.
Les DWCNT sont constitués de deux nanotubes à simple paroi, l’un emboîté dans l’autre.
Les MWNT sont une forme de CNT dans laquelle plusieurs nanotubes de carbone à simple paroi sont emboîtés les uns dans les autres. Leur diamètre étant compris entre 3–30 nm et leur longueur pouvant atteindre plusieurs cm, leur rapport longueur/diamètre peut varier entre 10 et dix millions. Par rapport aux nanofibres de carbone, les MWNT présentent une structure de paroi différente, un diamètre extérieur plus petit et un intérieur creux. Parmi les types de MWNT disponibles industriellement et couramment utilisés figurent notamment Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 et FutureCarbon CNT-MW.
Synthèse des CNT: Les CNT peuvent être produits par une méthode de synthèse à base de plasma ou d’évaporation par décharge d’arc, par ablation laser, par un procédé de synthèse thermique, par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma.
Fonctionnalisation des CNT: Pour améliorer les caractéristiques des nanotubes de carbone et les rendre ainsi plus adaptés à une application spécifique, les CNT sont souvent fonctionnalisés, par exemple par ajout de groupes acide carboxylique (-COOH) ou hydroxyle (-OH).

Additifs pour la dispersion des CNT

Quelques solvants, tels que les superacides, les liquides ioniques et la N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, permettent de préparer des dispersions de CNT à des concentrations relativement élevées, tandis que les solvants les plus couramment utilisés pour les nanotubes, tels que la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), le diméthylformamide (DMF) et le 1,2-dichrolobenzène, ne peuvent disperser les nanotubes qu’à de très faibles concentrations (par exemple, généralement <0,02 wt% de CNT à simple paroi). Les agents de dispersion les plus courants sont la polyvinylpyrrolidone (PVP), le dodécylbenzènesulfonate de sodium (SDBS), Triton 100 ou le dodécylsulfonate de sodium (SDS).
Les crésols constituent un groupe de produits chimiques industriels permettant de traiter les CNT à des concentrations allant jusqu’à plusieurs dizaines de pour cent en masse. À mesure que la teneur en CNT augmente, ils permettent une transition continue entre des dispersions diluées, des pâtes épaisses et des gels autoportants, puis un état inédit semblable à de la pâte à modeler. Ces états présentent des propriétés rhéologiques et viscoélastiques comparables à celles des polymères, qui ne peuvent pas être obtenues avec d’autres solvants courants, ce qui suggère que les nanotubes sont effectivement désagrégés et finement dispersés dans les crésols. Les crésols peuvent être éliminés après le traitement par chauffage ou lavage, sans altérer la surface des CNT. [Chiou et al. 2018]

Applications des dispersions de CNT

Pour bénéficier des avantages des CNT, ceux-ci doivent être dispersés dans un liquide tel qu’un polymère. Les CNT uniformément dispersés sont utilisés pour la fabrication de plastiques conducteurs, d’écrans à cristaux liquides, de diodes électroluminescentes organiques, d’écrans tactiles, d’écrans flexibles, de cellules solaires, d’encres conductrices, de matériaux de maîtrise de l’électricité statique, notamment des films, des mousses, des fibres et des tissus, de revêtements et d’adhésifs polymères, de composites polymères haute performance présentant une résistance mécanique et une ténacité exceptionnelles, de fibres composites polymère/CNT, ainsi que de matériaux légers et antistatiques.

Quelles sont les formes du carbone ?
Le carbone existe sous plusieurs formes allotropiques, notamment :

• Formes cristallines : diamant, graphite, graphène, nanotubes de carbone (CNT), fullerènes (par exemple, C₆₀).
• Formes amorphes : charbon de bois, suie, noir de carbone, carbone vitreux, carbone de type diamant (DLC), carbone amorphe monocouche (MAC).
• Nanostructures hybrides : nanodiamants, oignons de carbone, aérogels de carbone et composites tels que les hybrides nanocarbone-métal.

Chaque forme présente des propriétés physicochimiques distinctes qui sont pertinentes pour des applications en science des matériaux, en électronique et dans le stockage de l’énergie.