Ultrazvučno dispergiranje ugljikovih nanocijevi (CNT)
Ugljikove nanocijevi čvrste su i savitljive, ali imaju vrlo izraženu koheziju. Teško ih je dispergirati u tekućinama poput vode, etanola, ulja, polimera ili epoksidne smole. Ultrazvuk je učinkovita metoda za dobivanje odvojenih – pojedinačno dispergiranih – ugljikovih nanocijevi.
Ugljikove nanocijevi (CNT) upotrebljavaju se u ljepilima, premazima i polimerima te kao električki vodljiva punila u plastici za odvođenje statičkog naboja u električnoj opremi i dijelovima automobilskih karoserija koji se mogu elektrostatski bojiti. Uporabom nanocijevi polimeri se mogu učiniti otpornijima na temperature, agresivne kemikalije, korozivna okruženja, ekstremne tlakove i abraziju. Postoje dvije kategorije ugljikovih nanocijevi: jednostijene nanocijevi (SWNT) i višestijene nanocijevi (MWNT).
Industrijski ultrazvučni homogenizator UIP1500hdT za dispergiranje ugljikovih nanocijevi (CNT) i drugih nanomaterijala.
Ugljikove nanocijevi općenito su dostupne kao suhi materijal, primjerice od tvrtki kao što su SES Research ili CNT Co., Ltd. Za maksimalno iskorištavanje potencijala nanocijevi potreban je jednostavan, pouzdan postupak deaglomeracije koji se može prilagoditi većem mjerilu. Za tekućine viskoznosti do 100.000cP ultrazvuk je vrlo učinkovita tehnologija za dispergiranje nanocijevi u vodi, ulju ili polimerima pri niskim ili visokim koncentracijama. Mlazovi tekućine koji nastaju uslijed ultrazvučne kavitacije nadvladavaju sile vezivanja između nanocijevi i razdvajaju ih. Zbog ultrazvučno stvorenih smičnih sila i mikroturbulencija ultrazvuk također može pomoći pri površinskom oblaganju i kemijskoj reakciji nanocijevi s drugim materijalima.
Općenito se gruba disperzija nanocijevi najprije prethodno miješa standardnom miješalicom, a zatim homogenizira u ultrazvučnom reaktoru s protočnom ćelijom. Videozapis u nastavku prikazuje laboratorijski pokus (šaržna sonikacija uređajem UP400S) dispergiranja višestijenih ugljikovih nanocijevi u vodi pri niskoj koncentraciji. Zbog kemijske prirode ugljika dispergiranje nanocijevi u vodi prilično je otežano. Kao što je prikazano u videozapisu, lako se može pokazati da se sonikacijom nanocijevi mogu učinkovito dispergirati.
Usporedba različitih nanopunila dispergiranih u učvršćivaču sonikacijom pomoću sonde): (a) 0,5 wt% ugljikovih nanovlakana (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxid; (c) 0,5 wt% ugljikovih nanocijevi (CNT); (d) 0,5 wt% djelomično dispergiranih CNT.
Istraživanje i slika: ©Zanghellini et al., 2021
Dispergiranje pojedinačnih SWNT-ova velike duljine
Velik problem pri obradi i rukovanju SWNT-ovima jest inherentna netopljivost tih cijevi u uobičajenim organskim otapalima i vodi. Funkcionalizacija bočne stijenke ili otvorenih krajeva nanocijevi radi stvaranja odgovarajućeg međupovršinskog kontakta između SWNT-ova i otapala uglavnom dovodi samo do djelomičnog razdvajanja snopova SWNT-ova nalik užadi.
Zbog toga se SWNT-ovi obično dispergiraju kao snopovi, a ne kao potpuno izolirani pojedinačni objekti. Kada se pri dispergiranju primjenjuju preoštri uvjeti, SWNT-ovi se skraćuju na duljine između 80 i 200nm. Iako je to korisno za određena ispitivanja, ta je duljina premala za većinu praktičnih primjena, primjerice za SWNT-ove koji služe kao poluvodiči ili ojačanja. Kontrolirana, blaga ultrazvučna obrada (primjerice uređajem UP200Ht sa sonotrodom od 40mm) učinkovit je postupak za pripremu vodenih disperzija dugih pojedinačnih SWNT-ova. Nizovi blagih sonikacija svode skraćivanje na najmanju moguću mjeru i omogućuju maksimalno očuvanje strukturnih i elektroničkih svojstava.
Pročišćavanje SWNT-ova sonikacijom uz pomoć polimera
Kemijsku modifikaciju SWNT-ova teško je proučavati na molekularnoj razini jer je teško dobiti čiste SWNT-ove. SWNT-ovi neposredno nakon rasta sadržavaju mnoge nečistoće, poput metalnih čestica i amorfnog ugljika. Sonikacija SWNT-ova u otopini poli(metil-metakrilata) PMMA u monoklorbenzenu (MCB), nakon koje slijedi filtracija, učinkovit je način pročišćavanja SWNT-ova. Ta metoda pročišćavanja uz pomoć polimera omogućuje učinkovito uklanjanje nečistoća iz SWNT-ova neposredno nakon rasta. (Yudasaka et al.) Precizna kontrola amplitude sonikacije omogućuje ograničavanje oštećenja SWNT-ova.
Hielscher – širok asortiman ultrazvučnih uređaja i pribora za učinkovito dispergiranje nanocijevi.
- Kompaktni laboratorijski uređaji s ultrazvučnom snagom do 400 vata za dispergiranje u manjim volumenima do 2 litre
- UIP500hdT, UIP1000hdT i UIP1500hdT ultrazvučni su procesori koji mogu obrađivati veće volumene.
- Ultrazvučni sustavi snage 2kW (UIP2000hdT) i 4kW (UIP4000hdT) mogu se upotrebljavati za dispergiranje ugljikovih nanocijevi u proizvodnom mjerilu. Uređaji UIP10000 (10 kilovata) i UIP16000 (16 kilovata) mogu se upotrebljavati u skupinama od nekoliko pojedinačnih jedinica za obradu ugljikovih nanocijevi u velikom mjerilu.”
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Literatura
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi, od laboratorijskih do industrijskih veličina.