פיזור אחיד של CNTs באמצעות אולטרסאונד

כדי לנצל את התפקודים יוצאי הדופן של ננו־צינוריות פחמן (CNTs), יש לפזר אותן באופן הומוגני.
מכשירי פיזור אולטרסוניים הם הכלי הנפוץ ביותר לפיזור CNTs בתרחיפים מימיים ובתרחיפים על בסיס ממסים.
טכנולוגיית הפיזור האולטרסוני יוצרת אנרגיית גזירה גבוהה דיה להשגת הפרדה מלאה של CNTs מבלי לפגוע בהן.

פיזור אולטרסוני של ננו־צינוריות פחמן

לננו־צינוריות פחמן (CNTs) יחס אורך לקוטר גבוה מאוד, והן מתאפיינות בצפיפות נמוכה ובשטח פנים עצום (כמה מאות m2/g), המקנים להן תכונות ייחודיות כגון חוזק מתיחה, קשיחות וקשיחות לשבר גבוהים מאוד, ומוליכות חשמלית ותרמית גבוהות מאוד. בשל כוחות ואן דר ואלס, המושכים את ננו־צינוריות הפחמן (CNTs) הבודדות זו לזו, CNTs מסתדרות בדרך כלל בצרורות או בפקעות. כוחות משיכה בין־מולקולריים אלה מבוססים על תופעה של היערמות קשרי π בין ננו־צינוריות סמוכות, המכונה היערמות π. כדי להפיק את מלוא התועלת מננו־צינוריות פחמן, יש להתיר את הצברים הללו ולפזר את ה־CNTs באופן אחיד בפיזור הומוגני. טיפול אולטרסוני עוצמתי יוצר קוויטציה אקוסטית בנוזלים. מאמץ הגזירה המקומי הנוצר בעקבות זאת מפרק צברי CNT ומפזר אותם באופן אחיד בתרחיף הומוגני. טכנולוגיית הפיזור האולטרסוני יוצרת אנרגיית גזירה גבוהה דיה להשגת הפרדה מלאה של CNTs מבלי לפגוע בהן. גם במקרה של SWNTs הרגישות, סוניקציה מיושמת בהצלחה להפרדתן זו מזו לצינוריות בודדות. הטיפול האולטרסוני מספק רמת מאמץ מספקת בדיוק להפרדת צברי SWNT מבלי לגרום לשבירה רבה של ננו־צינוריות בודדות (Huang, Terentjev 2012).

יתרונות הפיזור האולטרסוני של CNTs

CNTs המפוזרות כצינוריות בודדות
התפלגות הומוגנית
יעילות פיזור גבוהה
תכולות CNT גבוהות
ללא פגיעה ב־CNTs
עיבוד מהיר
בקרת תהליך מדויקת

ננו־נוזלים המסונתזים באולטרסאונד הם נוזלי קירור ונוזלים יעילים למחליפי חום. ננו־חומרים מוליכי חום מגדילים במידה ניכרת את יכולת העברת החום ופיזורו. סוניקציה היא שיטה מבוססת לסינתזה ולפונקציונליזציה של ננו־חלקיקים מוליכי חום, וכן לייצור ננו־נוזלים יציבים ובעלי ביצועים גבוהים ליישומי קירור.

מערכות אולטרסוניות בעלות ביצועים גבוהים לפיזור CNTs

Hielscher Ultrasonics מספקת ציוד אולטרסוני עוצמתי ואמין לפיזור יעיל של CNTs. בין שעליכם להכין דגימות CNT קטנות לאנליזה ולמחקר ופיתוח ובין שעליכם לייצר אצוות תעשייתיות גדולות של פיזורים בכמויות גדולות, מגוון המוצרים של Hielscher מציע את המערכת האולטרסונית האידיאלית לדרישותיכם. החל ממכשירי אולטרסאונד בהספק 50W למעבדה ועד יחידות אולטרסוניות תעשייתיות בהספק 16kW לייצור מסחרי, ל־Hielscher Ultrasonics יש מענה לצורכיכם.
כדי לייצר פיזורים באיכות גבוהה של ננו־צינוריות פחמן, יש לשלוט היטב בפרמטרים של התהליך. משרעת, טמפרטורה, לחץ וזמן שהייה הם הפרמטרים הקריטיים ביותר להתפלגות אחידה של CNTs. מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מאפשרים שליטה מדויקת בכל פרמטר, ובנוסף כל פרמטרי התהליך מתועדים אוטומטית בכרטיס ה־SD המשולב במערכות האולטרסוניות הדיגיטליות של Hielscher. התיעוד של כל תהליך סוניקציה מסייע להבטיח תוצאות הניתנות לשחזור ואיכות עקבית. באמצעות שליטה מרחוק דרך דפדפן, המשתמש יכול להפעיל את המכשיר האולטרסוני ולנטר אותו מבלי להימצא במקום שבו נמצאת המערכת האולטרסונית.
מאחר שננו־צינוריות פחמן חד־דופניות (SWNTs) וננו־צינוריות פחמן רב־דופניות (MWNTs), וכן התווך המימי או הממס שנבחר, דורשים עוצמות עיבוד מסוימות, המשרעת האולטרסונית היא גורם מרכזי בכל הנוגע למוצר הסופי. המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד וגם מתונות מאוד. קבעו את המשרעת האידיאלית לדרישות התהליך שלכם. ניתן להפעיל בקלות וברציפות אפילו משרעות של עד 200µm בהפעלה 24/7. למשרעות גבוהות אף יותר זמינות סונוטרודות אולטרסוניות המותאמות אישית. העמידות של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת הפעלה 24/7 בעומסים כבדים ובסביבות תובעניות.
לקוחותינו מרוצים מהעמידות ומהאמינות יוצאות הדופן של המערכות של Hielscher Ultrasonic. ההתקנה ביישומים בעומסים כבדים, בסביבות תובעניות ובהפעלה 24/7 מבטיחה עיבוד יעיל וחסכוני. הגברת יעילות התהליך באמצעות אולטרסאונד מקצרת את זמן העיבוד ומשיגה תוצאות טובות יותר, כלומר איכות גבוהה יותר, תפוקות גבוהות יותר ומוצרים חדשניים.
הטבלה שלהלן נותנת אינדיקציה לקיבולת העיבוד המשוערת של מכשירי האולטרסאונד שלנו:

נפח אצווה	ספיקת זרימה	מכשירים מומלצים
0.5 עד 1.5mL	n.a.	VialTweeter
1 עד 500mL	10 עד 200mL/min	UP100H
10 עד 2000mL	20 עד 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0.1 עד 20L	0.2 עד 4L/min	UIP2000hdT
10 עד 100L	2 עד 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 עד 100L/min	UIP16000
n.a.	גבוהה יותר	אשכול של UIP16000

צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!

פיזור אולטרסוני של ננו־צינוריות פחמן: הסוניקטור UP400S ‏(400W) של Hielscher מפזר ננו־צינוריות פחמן ומפריד את סבכיהן במהירות וביעילות לננו־צינוריות בודדות.

נושאים קשורים

ספרות / מקורות

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.

עובדות שכדאי לדעת

מהן ננו־צינוריות פחמן

ננו־צינוריות פחמן (CNTs) משתייכות לקבוצה מיוחדת של חומרי פחמן חד־ממדיים, המציגים תכונות מכניות, חשמליות, תרמיות ואופטיות יוצאות דופן. הן רכיב מרכזי המשמש בפיתוח ובייצור של ננו־חומרים מתקדמים כגון ננו־מרוכבים, פולימרים מחוזקים וכדומה, ולכן הן משמשות בטכנולוגיות המתקדמות ביותר. CNTs מציגות חוזק מתיחה גבוה מאוד, תכונות העברת חום מעולות, פערי אנרגיה קטנים ויציבות כימית ופיזיקלית מיטבית, ההופכים את ננו־הצינוריות לתוסף מבטיח לחומרים מגוונים.
בהתאם למבנה שלהן, CNTS מחולקות לננו־צינוריות פחמן חד־דופניות (SWNTs), לננו־צינוריות פחמן דו־דופניות (DWCNTs) ולננו־צינוריות פחמן רב־דופניות (MWNTs).
SWNTs הן צינוריות גליליות ארוכות וחלולות, הבנויות מדופן פחמן שעובייה אטום אחד. יריעת אטומי הפחמן מסודרת בסריג דמוי חלת דבש. לעיתים קרובות משווים אותן מבחינה מושגית ליריעות מגולגלות של גרפיט חד־שכבתי או גרפן.
DWCNTs מורכבות משתי ננו־צינוריות חד־דופניות, שאחת מהן מקוננת בתוך האחרת.
MWNTs הן צורה של CNT שבה ננו־צינוריות פחמן חד־דופניות מרובות מקוננות זו בתוך זו. מאחר שקוטרן נע בטווח 3–30 nm והן יכולות לגדול לאורך של כמה cm, יחס האורך לקוטר שלהן יכול לנוע בין 10 לעשרה מיליון. בהשוואה לננו־סיבי פחמן, ל־MWNTs מבנה דופן שונה, קוטר חיצוני קטן יותר ופנים חלול. סוגי MWNTs הזמינים בתעשייה ונמצאים בשימוש נפוץ הם למשל Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 ו־FutureCarbon CNT-MW.
סינתזה של CNTs: ניתן לייצר CNTs בשיטת סינתזה מבוססת פלזמה או בשיטת אידוי בפריקת קשת חשמלית, בשיטת אבלציה בלייזר, בתהליך סינתזה תרמית, בשיקוע כימי מאדים (CVD) או בשיקוע כימי מאדים מוגבר פלזמה.
פונקציונליזציה של CNTs: כדי לשפר את המאפיינים של ננו־צינוריות פחמן ובכך להתאים אותן טוב יותר ליישום מסוים, CNTs עוברות לעיתים קרובות פונקציונליזציה, למשל באמצעות הוספת קבוצות חומצה קרבוקסילית (-COOH) או הידרוקסיל (-OH).

תוספים לפיזור CNTs

מספר ממסים, כגון חומצות־על, נוזלים יוניים ו־N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, מאפשרים להכין פיזורים של CNTs בריכוזים גבוהים יחסית, בעוד שהממסים הנפוצים ביותר לננו־צינוריות, כגון N-מתיל-2-פירולידון (NMP), דימתילפורמאמיד (DMF) ו־1,2-dichrolobenzene, יכולים לפזר ננו־צינוריות רק בריכוזים נמוכים מאוד (למשל, בדרך כלל <0.02 wt% של CNTs חד־דופניות). חומרי הפיזור הנפוצים ביותר הם פוליווינילפירולידון (PVP), נתרן דודציל בנזן סולפונט (SDBS), Triton 100 או נתרן דודציל סולפונט (SDS).
קרזולים הם קבוצה של כימיקלים תעשייתיים המאפשרים לעבד CNTs בריכוזים של עד עשרות אחוזים משקליים, תוך מעבר רציף מפיזורים דלילים, דרך משחות סמיכות וג'לים העומדים בפני עצמם, ועד למצב חסר תקדים דמוי בצק משחק, ככל שתכולת ה־CNT עולה. מצבים אלה מציגים תכונות ריאולוגיות וויסקו־אלסטיות דמויות פולימר, שאינן ניתנות להשגה עם ממסים נפוצים אחרים, דבר המצביע על כך שננו־הצינוריות אכן מופרדות מצבריהן ומפוזרות היטב בקרזולים. ניתן להסיר את הקרזולים לאחר העיבוד באמצעות חימום או שטיפה, מבלי לשנות את פני השטח של ה־CNTs. [Chiou et al. 2018]

יישומים של פיזורי CNT

כדי לנצל את היתרונות של CNTs, יש לפזר אותן בנוזל כגון פולימרים. CNTs המפוזרות באופן אחיד משמשות לייצור פלסטיק מוליך, צגי גביש נוזלי, דיודות אורגניות פולטות אור, מסכי מגע, צגים גמישים, תאים סולאריים, דיו מוליך, חומרים לבקרת חשמל סטטי, ובהם יריעות, קצפים, סיבים ובדים, ציפויים ודבקים פולימריים, מרוכבים פולימריים בעלי ביצועים גבוהים וחוזק מכני וקשיחות לשבר יוצאי דופן, סיבים מרוכבים של פולימר/CNT, וכן חומרים קלי משקל ואנטי־סטטיים.

מהן הצורות של פחמן?
פחמן קיים בכמה צורות אלוטרופיות, ובהן:

צורות גבישיות: יהלום, גרפיט, גרפן, ננו־צינוריות פחמן (CNTs), פולרנים (למשל, C₆₀).
צורות אמורפיות: פחם עץ, פיח, פחמן שחור, פחמן זכוכיתי, פחמן דמוי יהלום (DLC), פחמן אמורפי חד־שכבתי (MAC).
ננו־מבנים היברידיים: ננו־יהלומים, בצלי פחמן, אירוג'לים של פחמן ומרוכבים כגון מבנים היברידיים של ננו־פחמן ומתכת.

כל צורה מציגה תכונות פיזיקוכימיות ייחודיות הרלוונטיות ליישומים במדע החומרים, באלקטרוניקה ובאגירת אנרגיה.