Kako pojedinačno dispergirati jednostijene ugljikove nanocijevi

Jednostijene ugljikove nanocijevi (SWNT ili SWCNT) imaju jedinstvena svojstva, no da bi ih iskazale, moraju biti pojedinačno dispergirane. Kako bi se u potpunosti iskoristila iznimna svojstva jednostijenih ugljikovih nanocijevi, cijevi je potrebno što potpunije rasplesti. SWNT, kao i druge nanočestice, pokazuju vrlo snažne privlačne sile, pa je za pouzdanu deaglomeraciju i dispergiranje potrebna snažna i učinkovita tehnika. Dok uobičajene tehnike miješanja ne pružaju intenzitet potreban za rasplitanje SWNT-a bez njihova oštećivanja, dokazano je da ultrazvuk velike snage raspliće i dispergira SWCNT. Kavitacijske smične sile nastale djelovanjem ultrazvuka dovoljno su snažne da nadvladaju sile vezivanja, a intenzitet ultrazvuka može se precizno prilagoditi kako bi se izbjeglo oštećivanje SWCNT-a.

Problem:

Jednostijene ugljikove nanocijevi (SWCNT) razlikuju se od višestijenih ugljikovih nanocijevi (MWNT/ MWCNT) po svojim električnim svojstvima. Širina zabranjenog pojasa SWCNT-a može varirati od nule do 2 eV, a njihova električna vodljivost pokazuje metalno ili poluvodičko ponašanje. Budući da su jednostijene ugljikove nanocijevi izrazito kohezivne, jedna od glavnih prepreka pri obradi SWCNT-a jest inherentna netopljivost cijevi u organskim otapalima ili vodi. Za iskorištavanje punog potencijala SWCNT-a potreban je jednostavan, pouzdan i skalabilan postupak deaglomeracije cijevi. Konkretno, funkcionalizacija bočnih stijenki ili otvorenih krajeva CNT-a radi stvaranja prikladnog međupovršinskog sloja između SWCNT-a i organskog otapala rezultira samo djelomičnom eksfolijacijom SWCNT-a. Stoga je SWCNT uglavnom dispergiran u obliku snopova, a ne pojedinačnih deaglomeriranih niti. Ako su uvjeti tijekom dispergiranja preoštri, SWCNT će se skratiti na duljine od 80 do 200nm. Za većinu praktičnih primjena, odnosno za SWCNT koji služi kao poluvodič ili ojačanje, ta je duljina premala.

Rješenje:

Sonikacija je vrlo učinkovita metoda dispergiranja i deaglomeracije ugljikovih nanocijevi jer ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju kavitaciju u tekućinama. Zvučni valovi koji se šire kroz tekući medij uzrokuju izmjenične cikluse visokog tlaka (kompresije) i niskog tlaka (razrjeđivanja), čija brzina izmjenjivanja ovisi o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dosegnu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, silovito kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ta se pojava naziva kavitacijom. Tijekom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (približno 5.000K) i tlakovi (približno 2.000atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također stvara mlazove tekućine brzine do 280m/s. Ti mlazovi tekućine, koji nastaju zbog ultrazvučne kavitacije, nadvladavaju sile vezivanja između ugljikovih nanocijevi, čime dolazi do deaglomeracije nanocijevi. Blaga, kontrolirana ultrazvučna obrada prikladna je metoda za stvaranje suspenzija dispergiranih SWCNT-a velike duljine, stabiliziranih površinski aktivnim tvarima. Za kontroliranu proizvodnju SWCNT-a ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher omogućuju rad sa širokim rasponom skupova ultrazvučnih parametara. Amplituda ultrazvuka, tlak tekućine i sastav tekućine mogu se mijenjati u skladu s određenim materijalom i postupkom. To pruža različite mogućnosti prilagodbe, kao što su

• amplitude sonotrode do 170 mikrona
• tlakovi tekućine do 10 bara
• protoci tekućine do 15L/min (ovisno o postupku)
• temperature tekućine do 80 degC (druge temperature na upit)
• viskoznost materijala do 100.000cp

 

Nadalje, sonikacija kao metoda pročišćavanja uz pomoć polimera omogućuje učinkovito uklanjanje nečistoća iz SWCNT-a u stanju nakon rasta. Kemijsku modifikaciju SWCNT-a teško je proučavati na molekularnoj razini jer je teško dobiti čisti SWNT. SWCNT u stanju nakon rasta sadrži brojne nečistoće, poput metalnih čestica i amorfnih oblika ugljika. Sonikacija SWCNT-a u otopini poli(metil-metakrilata) PMMA u monoklorbenzenu (MCB), nakon koje slijedi filtracija, učinkovit je način pročišćavanja SWCNT-a. Ta metoda pročišćavanja uz pomoć polimera omogućuje učinkovito uklanjanje nečistoća iz SWCNT-a u stanju nakon rasta. Precizna kontrola amplitude sonikacije omogućuje izbjegavanje ili ograničavanje oštećivanja SWCNT-a.

Ultrazvučna oprema

Hielscher nudi visokoučinkovite ultrazvučne procesore za sonikaciju svakog volumena. Ultrazvučni uređaji snage od 50 vata do 16.000 vata, koji se mogu povezati u skupine, omogućuju pronalaženje odgovarajućeg ultrazvučnog uređaja za svaku primjenu, kako u laboratoriju tako i u industriji. Za zahtjevno dispergiranje nanocijevi preporučuje se kontinuirana sonikacija. Primjenom protočnih ćelija tvrtke Hielscher moguće je dispergirati CNT u tekućinama povišene viskoznosti, poput polimera, visokoviskoznih talina i termoplasta.

Kliknite ovdje kako biste pročitali više o dispergiranju i modifikaciji nanocijevi ultrazvukom velike snage!