Dispersion uniforme des NTC par ultrasons
Pour exploiter les fonctionnalités exceptionnelles des nanotubes de carbone (NTC), ceux-ci doivent être dispersés de manière homogène.
Les disperseurs ultrasoniques sont l'outil le plus courant pour distribuer les NTC dans des suspensions aqueuses ou à base de solvants.
La technologie de dispersion ultrasonique crée une énergie de cisaillement suffisamment élevée pour obtenir une séparation complète des NTC sans les endommager.
Disperser des nanotubes de carbone par ultrasons
Les nanotubes de carbone (NTC) ont un rapport d'aspect très élevé et présentent une faible densité ainsi qu'une surface énorme (plusieurs centaines de m2/g), ce qui leur confère des propriétés uniques telles qu'une résistance à la traction, une rigidité et une ténacité très élevées, ainsi qu'une conductivité électrique et thermique très importante. En raison des forces de Van der Waals, qui attirent les nanotubes de carbone (NTC) les uns vers les autres, les NTC s'organisent normalement en faisceaux ou en écheveaux. Ces forces d'attraction intermoléculaires reposent sur un phénomène d'empilement de liaisons π entre nanotubes adjacents, connu sous le nom d'empilement π. Pour tirer pleinement parti des nanotubes de carbone, il faut démêler ces agglomérats et répartir uniformément les NTC dans une dispersion homogène. Les ultrasons intenses créent une cavitation acoustique dans les liquides. La contrainte de cisaillement locale ainsi générée brise les agrégats de NTC et les disperse uniformément dans une suspension homogène. La technologie de dispersion par ultrasons crée une énergie de cisaillement suffisamment élevée pour obtenir une séparation complète des NTC sans les endommager. Même pour les SWNT sensibles, la sonication est appliquée avec succès pour les démêler individuellement. Les ultrasons génèrent un niveau de stress suffisant pour séparer les agrégats de SWNT sans causer de fracture aux nanotubes individuels (Huang, Terentjev 2012).
- NTC à dispersion unique
- Distribution homogène
- Efficacité de dispersion élevée
- Charges élevées en NTC
- Pas de dégradation des NTC
- Traitement rapide
- un contrôle précis des processus
UIP2000hdT – Ultrasons puissants de 2 kW pour les dispersions de NTC
Systèmes ultrasoniques à haute performance pour les dispersions de NTC
Hielscher Ultrasonics fournit des équipements ultrasoniques puissants et fiables pour la dispersion efficace des NTC. Qu'il s'agisse de préparer de petits échantillons de NTC pour l'analyse et la R&D ou vous devez fabriquer de grands lots industriels de dispersions en vrac, la gamme de produits Hielscher offre le système ultrasonique idéal pour répondre à vos besoins. De Ultrasons 50W pour les laboratoires jusqu'à Unités industrielles à ultrasons de 16 kW pour la fabrication commerciale, Hielscher Ultrasonics vous couvre.
Pour produire des dispersions de nanotubes de carbone de haute qualité, les paramètres du processus doivent être bien contrôlés. L'amplitude, la température, la pression et le temps de rétention sont les paramètres les plus critiques pour une distribution homogène des NTC. Les appareils à ultrasons de Hielscher permettent non seulement un contrôle précis de chaque paramètre, mais tous les paramètres du processus sont automatiquement enregistrés sur la carte SD intégrée des systèmes numériques à ultrasons de Hielscher. Le protocole de chaque processus de sonication contribue à garantir des résultats reproductibles et une qualité constante. Grâce à la commande à distance par navigateur, l'utilisateur peut faire fonctionner et surveiller l'appareil à ultrasons sans se trouver sur le site du système à ultrasons.
Étant donné que les nanotubes de carbone monoparois (SWNT) et les nanotubes de carbone multiparois (MWNT), ainsi que le milieu aqueux ou solvant sélectionné, nécessitent des intensités de traitement spécifiques, l'amplitude des ultrasons est un facteur clé pour le produit final. Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs industriels à ultrasons peuvent fournir des amplitudes très élevées ou très faibles. Déterminez l'amplitude idéale pour les exigences de votre processus. Même des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher permet un fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions difficiles et dans des environnements exigeants.
Nos clients sont satisfaits de la robustesse et de la fiabilité exceptionnelles des systèmes Hielscher Ultrasonic. L'installation dans des domaines d'applications lourdes, des environnements exigeants et un fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 garantissent un traitement efficace et économique. L'intensification du processus par ultrasons réduit le temps de traitement et permet d'obtenir de meilleurs résultats, c'est-à-dire une meilleure qualité, des rendements plus élevés et des produits innovants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
|---|---|---|
| 00,5 à 1,5 ml | n.d. | VialTweeter |
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 à 20L | 0.2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Littérature / Références
- 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.
Qu'il faut savoir
Qu'est-ce que les nanotubes de carbone ?
Les nanotubes de carbone (NTC) font partie d'une classe spéciale de matériaux de carbone 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 utilisés dans les technologies de pointe. Les NTC présentent une résistance à la traction très élevée, des propriétés de transfert thermique supérieures, de faibles écarts de bande et une stabilité chimique et physique optimale, ce qui fait des nanotubes un additif prometteur pour de nombreux matériaux.
En fonction de leur structure, on distingue les nanotubes de carbone à paroi simple (SWNT), les nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) et les nanotubes de carbone à parois multiples (MWNT).
Les SWNT sont de longs tubes cylindriques creux constitués d'une paroi de carbone d'un atome d'épaisseur. La feuille atomique de carbones est disposée selon un réseau en nid d'abeille. Ils sont souvent comparés, sur le plan conceptuel, à des feuilles enroulées de graphite monocouche ou de graphène.
Les DWCNT sont constitués de deux nanotubes à paroi unique, l'un étant imbriqué dans l'autre.
Les MWNT sont une forme de NTC dans laquelle plusieurs nanotubes de carbone à paroi simple sont imbriqués les uns dans les autres. Comme leur diamètre est compris entre 3 et 30 nm et qu'ils peuvent atteindre plusieurs cm de long, leur rapport d'aspect peut varier entre 10 et dix millions. Par rapport aux nanofibres de carbone, les MWNT ont une structure de paroi différente, un diamètre extérieur plus petit et un intérieur creux. Les types de MWNT couramment utilisés dans l'industrie sont, par exemple, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 et FutureCarbon CNT-MW.
Synthèse des NTC: Les NTC peuvent être produits par une méthode de synthèse basée sur le plasma ou une méthode d'évaporation par décharge d'arc, une méthode d'ablation laser, un processus de synthèse thermique, un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma.
Fonctionnalisation des NTC: Pour améliorer les caractéristiques des nanotubes de carbone et les rendre ainsi plus adaptés à une application spécifique, les NTC sont souvent fonctionnalisés, par exemple par l'ajout de groupes acide carboxylique (-COOH) ou hydroxyle (-OH).
Additifs de dispersion des NTC
Quelques solvants tels que les superacides, les liquides ioniques et la N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone sont capables de préparer des dispersions de NTC à des concentrations relativement élevées, tandis que les solvants les plus courants 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 des concentrations très faibles (par exemple, typiquement <00,02 % en poids de NTC à paroi unique). Les agents de dispersion les plus courants sont la polyvinylpyrrolidone (PVP), le sulfonate de sodium et de dodécyle (SDBS), le Triton 100 ou le sulfonate de sodium et de dodécyle (SDS).
Les crésols sont un groupe de produits chimiques industriels qui peuvent traiter les NTC à des concentrations allant jusqu'à des dizaines de pour cent en poids, ce qui entraîne une transition continue de dispersions diluées, de pâtes épaisses et de gels libres vers un état de pâte à modeler sans précédent, au fur et à mesure que la charge en NTC augmente. Ces états présentent des propriétés rhéologiques et viscoélastiques semblables à celles des polymères, qui ne peuvent être atteintes 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 traitement par chauffage ou lavage, sans altérer la surface des NTC. [Chiou et al. 2018]
Applications des dispersions de NTC
Les NTC dispersés de manière homogène 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 contrôle de l'électricité statique, notamment des films, des mousses, des fibres et des tissus, de revêtements et d'adhésifs polymères, de composites polymères à haute performance présentant une résistance mécanique et une ténacité exceptionnelles, de fibres composites polymères/NTC, ainsi que de matériaux légers et antistatiques.
Quelles sont les formes de carbone ?
Le carbone existe sous la forme de plusieurs allotropes, notamment :
- Formes cristallines : Diamant, graphite, graphène, nanotubes de carbone (CNT), fullerènes (par exemple, C60).
- Formes amorphes : Charbon, 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, utiles pour des applications dans les domaines de la science des matériaux, de l'électronique et du stockage de l'énergie.