פיזור אולטרסוני של ננוצינוריות פחמן (CNT)
ננוצינוריות פחמן הן חזקות וגמישות, אך נצמדות זו לזו בחוזקה רבה. קשה לפזר אותן בנוזלים כגון מים, אתנול, שמן, פולימר או שרף אפוקסי. אולטרסאונד הוא שיטה יעילה לקבלת ננוצינוריות פחמן נפרדות – המפוזרות כל אחת בנפרד.
ננוצינוריות פחמן (CNT) משמשות בדבקים, בציפויים ובפולימרים, וכן כחומרי מילוי מוליכי חשמל בחומרים פלסטיים לפיזור מטענים סטטיים בציוד חשמלי ובלוחות מרכב לרכב הניתנים לצביעה אלקטרוסטטית. השימוש בננוצינוריות מאפשר להקנות לפולימרים עמידות גבוהה יותר בפני טמפרטורות, כימיקלים חריפים, סביבות קורוזיביות, לחצים קיצוניים ושחיקה. קיימות שתי קטגוריות של ננוצינוריות פחמן: ננוצינוריות חד־דופניות (SWNT) וננוצינוריות רב־דופניות (MWNT).
הומוגנייזר אולטרסוני תעשייתי UIP1500hdT לפיזור ננוצינוריות פחמן (CNTs) וננו־חומרים אחרים.
ננוצינוריות פחמן זמינות בדרך כלל כחומר יבש, למשל מחברות כגון SES Research או CNT Co., Ltd. כדי לנצל את מלוא הפוטנציאל של הננוצינוריות, נדרש תהליך פשוט ואמין לפירוק אגלומרטים, שניתן להגדיל את קנה המידה שלו. עבור נוזלים בעלי צמיגות של עד 100,000cP, אולטרסאונד הוא טכנולוגיה יעילה מאוד לפיזור ננוצינוריות במים, בשמן או בפולימרים בריכוזים נמוכים או גבוהים. סילוני הנוזל הנוצרים בעקבות קוויטציה אולטרסונית מתגברים על כוחות הקישור בין הננוצינוריות ומפרידים ביניהן. הודות לכוחות הגזירה ולמערבולות הזעירות הנוצרים באמצעות אולטרסאונד, הוא יכול לסייע גם בציפוי פני השטח של ננוצינוריות ובתגובה הכימית שלהן עם חומרים אחרים.
בדרך כלל, תחילה מערבבים מראש תרחיף גס של ננוצינוריות באמצעות בוחש רגיל, ולאחר מכן מבצעים הומוגניזציה בריאקטור בעל תא זרימה אולטרסוני. הסרטון שלהלן מציג ניסוי מעבדתי (סוניקציה במנות באמצעות UP400S) לפיזור ננוצינוריות פחמן רב־דופניות במים בריכוז נמוך. בשל אופיו הכימי של הפחמן, פיזור ננוצינוריות במים קשה למדי. כפי שמוצג בסרטון, ניתן להדגים בקלות שסוניקציה מסוגלת לפזר ננוצינוריות ביעילות.
השוואה בין ננו־חומרי מילוי שונים שפוזרו בחומר מקשה באמצעות סוניקציה עם גשוש): (a) 0.5 wt% ננו־סיבי פחמן (CNF); (b) 0.5 wt% CNToxid; (c) 0.5 wt% ננוצינוריות פחמן (CNT); (d) 0.5 wt% CNT בפיזור חלקי.
מחקר ותמונה: ©Zanghellini et al., 2021
פיזור ננוצינוריות SWNT בודדות בעלות אורך רב
בעיה מרכזית בעיבוד ננוצינוריות SWNT ובטיפול בהן היא אי־המסיסות המובנית שלהן בממסים אורגניים נפוצים ובמים. פונקציונליזציה של הדופן הצדדית או של הקצוות הפתוחים של הננוצינוריות, ליצירת ממשק מתאים בין ננוצינוריות ה־SWNT לממס, מובילה לרוב רק להפרדה חלקית של הצרורות דמויי החבל של ננוצינוריות ה־SWNT.
כתוצאה מכך, ננוצינוריות ה־SWNT מפוזרות בדרך כלל כצרורות ולא כיחידות בודדות המופרדות לחלוטין זו מזו. כאשר משתמשים בתנאים חריפים מדי במהלך הפיזור, ננוצינוריות ה־SWNT מתקצרות לאורכים שבין 80 ל־200nm. אף שאורך זה מועיל לבדיקות מסוימות, הוא קצר מדי לרוב היישומים המעשיים, כגון שימוש בננוצינוריות SWNT כמוליכים למחצה או לחיזוק חומרים. טיפול אולטרסוני מבוקר ומתון (למשל באמצעות UP200Ht עם סונוטרודה בקוטר 40mm) הוא הליך יעיל להכנת תרחיפים מימיים של ננוצינוריות SWNT בודדות וארוכות. רצפים של סוניקציה מתונה ממזערים את ההתקצרות ומאפשרים שימור מרבי של התכונות המבניות והאלקטרוניות.
טיהור ננוצינוריות SWNT באמצעות סוניקציה בסיוע פולימר
קשה לחקור את השינוי הכימי של ננוצינוריות SWNT ברמה המולקולרית, משום שקשה להשיג ננוצינוריות SWNT טהורות. ננוצינוריות SWNT כפי שהן מתקבלות לאחר הגידול מכילות זיהומים רבים, כגון חלקיקי מתכת ופחמן אמורפי. סוניקציה של ננוצינוריות SWNT בתמיסה של פולי(מתיל מתאקרילט) PMMA במונוכלורובנזן (MCB), ולאחריה סינון, היא דרך יעילה לטיהור ננוצינוריות SWNT. שיטת טיהור זו בסיוע פולימר מאפשרת להסיר ביעילות זיהומים מננוצינוריות SWNT כפי שהן מתקבלות לאחר הגידול. (Yudasaka et al.) שליטה מדויקת במשרעת הסוניקציה מאפשרת להגביל את הנזק לננוצינוריות ה־SWNT.
חברת Hielscher מציעה מגוון רחב של מכשירים אולטרסוניים ואביזרים לפיזור יעיל של ננוצינוריות.
- מכשירי מעבדה קומפקטיים בהספק אולטרסוני של עד 400 ואט לפיזור בנפחים קטנים יותר של עד 2 ליטרים
- UIP500hdT, UIP1000hdT וכן UIP1500hdT הם מעבדים אולטרסוניים המסוגלים לעבד נפחים גדולים יותר.
- מערכות אולטרסוניות בהספק של 2kW (UIP2000hdT) וכן 4kW (UIP4000hdT) יכולות לשמש לפיזור ננוצינוריות פחמן בקנה מידה של ייצור. המכשירים UIP10000 (10 קילוואט) וכן UIP16000 (16 קילוואט) יכולים לשמש באשכולות של כמה יחידות נפרדות לעיבוד ננוצינוריות פחמן בקנה מידה גדול."
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
ספרות מקצועית
- 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.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, החל ממכשירים למעבדה ועד למכשירים בגודל תעשייתי.