NTC uniformément dispersés par ultrasons
Pour exploiter les fonctionnalités exceptionnelles des nanotubes de carbone (NTC), ils doivent être dispersés de manière homogène.
Les disperseurs ultrasoniques sont l'outil le plus courant pour distribuer les NTC dans les suspensions aqueuses et à base de solvant.
La technologie de dispersion ultrasonique crée une énergie de cisaillement suffisamment élevée pour réaliser une séparation complète des NTC sans les endommager.
Ultrasons de dispersion des nanotubes de carbone
Les nanotubes de carbone (NTC) ont un rapport d'aspect très élevé et présentent une faible densité ainsi qu'une énorme surface (plusieurs centaines de m2/g), ce qui leur confère des propriétés uniques telles qu'une très grande résistance à la traction, une très grande rigidité et ténacité et une très grande conductivité électrique et thermique. 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 sont basées sur un phénomène d'empilement entre nanotubes adjacents, connu sous le nom de π-stacking. Pour tirer pleinement parti des nanotubes de carbone, ces agglomérats doivent être démêlés et les NTC doivent être répartis uniformément 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 SWNTs sensibles, la sonication est appliquée avec succès pour les démêler individuellement. Les ultrasons fournissent juste un niveau de contrainte suffisant pour séparer les agrégats SWNT sans causer beaucoup de fractures aux nanotubes individuels (Huang, Terentjev 2012).
- NTC à simple dispersion
- Répartition homogène
- Efficacité de dispersion élevée
- Charges de NTC élevées
- Pas de dégradation des NTC
- traitement rapide
- le contrôle des processus précis
UIP2000hdT – Puissant ultrasoniseur de 2 kW pour les dispersions de NTC
Systèmes à ultrasons haute performance pour les dispersions de NTC
Hielscher Ultrasons fournit des équipements ultrasoniques puissants et fiables pour la dispersion efficace des NTC. Que vous ayez besoin de préparer de petits échantillons de NTC pour analyse et R&D ou vous devez fabriquer de grandes quantités industrielles de dispersions en vrac, la gamme de produits Hielscher offre le système ultrasonique idéal pour vos besoins. De Ultrasons 50W pour laboratoire jusqu'à Unités ultrasoniques industrielles de 16kW pour la fabrication commerciale, Hielscher Ultrasons 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 uniforme des NTC. Les ultrasonateurs de Hielscher permettent non seulement le 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 le dispositif à ultrasons sans se trouver sur le lieu du système à ultrasons.
Etant donné que les nanotubes de carbone à paroi simple (SWNT) et les nanotubes de carbone à paroi multiple (MWNT) ainsi que le milieu aqueux ou solvant choisi nécessitent des intensités de traitement spécifiques, l'amplitude ultrasonique est un facteur clé pour le produit final. Hielscher Ultrasons’ Les processeurs à ultrasons industriels peuvent fournir des amplitudes très élevées ou très faibles. Etablissez l'amplitude idéale pour vos besoins de process. Même des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent facilement fonctionner en continu 24h/24 et 7j/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 environnements difficiles et exigeants.
Nos clients sont satisfaits de la robustesse et de la fiabilité exceptionnelles des systèmes Hielscher Ultrasonic. L'installation dans des domaines d'application difficiles, des environnements exigeants et un fonctionnement 24 heures sur 24, 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 ultrasonicators:
| lot Volume | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 00,5 à 1,5 ml | n / a. | VialTweeter |
| 1 à 500 ml | 10 à 200 ml / min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 20L | 00,2 à 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 à 100l | 2 à 10 L / min | UIP4000hdT |
| n / a. | 10 à 100 litres / min | UIP16000 |
| n / a. | plus grand | groupe de UIP16000 |
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Littérature / Références
- 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
des 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 sont 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 très grande résistance à la traction, des propriétés de transfert thermique supérieures, des intervalles à faible bande et une stabilité chimique et physique optimale, ce qui fait des nanotubes un additif prometteur pour de nombreux matériaux.
Selon leur structure, les CNTS se distinguent en nanotubes de carbone à paroi simple (SWNT), en nanotubes de carbone à paroi double (DWCNT) et en nanotubes de carbone à paroi multiple (MWNT).
Les SWNTs sont des tubes cylindriques longs et creux faits d'une paroi de carbone d'un atome d'épaisseur. La feuille atomique des carbones est disposée dans un treillis en nid d'abeilles. Souvent, on les compare conceptuellement à des feuilles enroulées de graphite ou de graphène à une seule couche.
Les DWCNT sont constitués de deux nanotubes à paroi simple, l'un imbriqué dans l'autre.
Les MWNT sont une forme de NTC, où plusieurs nanotubes de carbone à simple paroi sont imbriqués les uns dans les autres. Comme leur diamètre varie entre 3-30 nm et qu'ils peuvent atteindre plusieurs centimètres de long, leur rapport d'aspect peut varier entre 10 et 10 millions. Comparés aux nanofibres de carbone, les MWNT ont une structure de paroi différente, un diamètre extérieur plus petit et un intérieur creux. Les MWNT les plus 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 la méthode de synthèse au plasma ou par la méthode d'évaporation par décharge d'arc, la méthode d'ablation au laser, le procédé de synthèse thermique, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou le 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 en ajoutant des groupes acide carboxylique (-COOH) ou hydroxy (-OH).
Additifs dispersants pour 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 de très faibles concentrations (par exemple, typiquement <0.02 % en poids de NTC à simple paroi). Les agents de dispersion les plus courants sont la polyvinylpyrrolidone (PVP), le dodécylbenzène-sulfonate de sodium (SDBS), le Triton 100 ou le dodécyl-sulfonate de sodium (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 entre les dispersions diluées, les pâtes épaisses et les gels autonomes et un état de pâte à modeler sans précédent, à mesure que la charge en NTC augmente. Ces états présentent des propriétés rhéologiques et viscoélastiques de type polymère, qui ne sont pas accessibles avec d'autres solvants courants, ce qui suggère que les nanotubes sont effectivement désagrégés et finement dispersés dans des crésols. Les crésols peuvent être éliminés après le traitement par chauffage ou lavage, sans altérer la surface des NTC. [Chiou et al. 2018]
Applications des dispersions de NTC
Les NTC 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 contrôle statique, notamment des films, mousses, fibres et tissus, de revêtements et adhésifs polymères, de composites polymères à haute performance présentant une résistance mécanique et une résistance mécanique exceptionnelles, ainsi que de fibres composites polymère/CNT, de matériaux légers et antistatiques.