Ultrazvučno raspršivanje ugljikovih nanocijevi (CNT)

Ugljikove nanocijevi su jake i fleksibilne, ali vrlo kohezivne. Teško ih je dispergirati u tekućine, poput vode, etanola, ulja, polimera ili epoksidne smole. Ultrazvuk je učinkovita metoda za dobivanje diskretnih – jednostruko raspršen – ugljikove nanocijevi.

Ugljične nanocijevi (CNT) koriste se u ljepilima, premazima i polimerima te kao elektrovodljiva punila u plastici za raspršivanje statičkog naboja u električnoj opremi iu pločama karoserije automobila koje je moguće lakirati elektrostatskim putem. Upotrebom nanocijevi polimeri se mogu učiniti otpornijima na temperature, jake kemikalije, korozivna okruženja, ekstremne pritiske i abraziju. Postoje dvije kategorije ugljikovih nanocijevi: nanocijevi s jednom stijenkom (SWNT) i nanocijevi s više stijenki (MWNT).

Ugljikove nanocijevi općenito su dostupne kao suhi materijal, npr. od tvrtki kao što su SES istraživanje ili CNT Co., Ltd. Potreban je jednostavan, pouzdan i skalabilan proces deaglomeracije kako bi se nanocijevi iskoristile do njihovog maksimalnog potencijala. Za tekućine do 100 000 cP ultrazvuk je vrlo učinkovita tehnologija za raspršivanje nanocijevi u vodi, ulju ili polimerima pri niskim ili visokim koncentracijama. Mlaz tekućine koji nastaje iz ultrazvučna kavitacija, prevladati sile vezivanja između nanocijevi i odvojiti cijevi. Zbog ultrazvučno generiranih posmičnih sila i mikroturbulencija, ultrazvuk može pomoći u površinskom premazu i kemijskoj reakciji nanocijevi s drugim materijalima.

Općenito, gruba disperzija nanocijevi prvo se prethodno izmiješa standardnom mješalicom, a zatim se homogenizira u reaktoru ultrazvučne protočne ćelije. Video u nastavku prikazuje laboratorijsko ispitivanje (serijska sonikacija korištenjem UP400S) dispergiranje višeslojnih ugljikovih nanocijevi u vodi pri niskoj koncentraciji. Zbog kemijske prirode ugljika dispergiranje nanocijevi u vodi prilično je teško. Kao što je prikazano u videu, lako se može pokazati da je ultrazvučna obrada sposobna učinkovito raspršiti nanocijevi.

Disperzija pojedinačnih SWNT velike duljine

Glavni problem za obradu i rukovanje SWNT je inherentna netopljivost cijevi u uobičajenim organskim otapalima i vodi. Funkcionalizacija bočne stijenke ili otvorenih krajeva nanocijevi kako bi se stvorilo odgovarajuće sučelje između SWNT i otapala uglavnom dovodi samo do djelomičnog ljuštenja SWNT užadi.
Kao rezultat toga, SWNT-ovi su obično raspršeni kao snopovi, a ne kao potpuno izolirani pojedinačni objekti. Kada se tijekom disperzije koriste preteški uvjeti, SWNT se skraćuju na duljine između 80 i 200 nm. Iako je ovo korisno za određene testove, ova duljina je premala za većinu praktičnih primjena, kao što su poluvodički ili pojačani SWNT. Kontrolirani, blagi ultrazvučni tretman (npr UP200Ht sa sonotrodom od 40 mm) je učinkovit postupak za pripremu vodenih disperzija dugih pojedinačnih SWNT. Sekvence blagog ultrazvuka minimiziraju skraćivanje i omogućuju maksimalno očuvanje strukturnih i elektroničkih svojstava.

Pročišćavanje SWNT ultrazvukom uz pomoć polimera

Teško je proučavati kemijsku modifikaciju SWNT-a na molekularnoj razini jer je teško dobiti čiste SWNT-ove. Nastali SWNT-ovi sadrže mnoge nečistoće, poput metalnih čestica i amorfnog ugljika. Ultrazvučna obrada SWNT-ova u monoklorobenzenskoj (MCB) otopini poli(metil metakrilata) PMMA nakon čega slijedi filtracija učinkovit je način pročišćavanja SWNT-a. Ova metoda pročišćavanja uz pomoć polimera omogućuje učinkovito uklanjanje nečistoća iz uzgojenih SWNT-ova. (Yudasaka i sur.) Precizna kontrola amplitude ultrazvuka omogućuje ograničavanje oštećenja SWNT-ova.

Hielscherova širok izbor ultrazvučnih uređaja i pribor za učinkovito raspršivanje nanocijevi.

• Kompaktni laboratorijski uređaji od do Snaga ultrazvuka 400 W za raspršivanje u manje volumene do 2 litre
• UIP500hdT, UIP1000hdT i UIP1500hdT su ultrazvučni procesori koji mogu obraditi veće količine.
• Ultrazvučni sustavi 2kW (UIP2000hdT) i 4kW (UIP4000hdT) može se koristiti za raspršivanje ugljikovih nanocijevi u proizvodnim razmjerima UIP10000 (10 kilovata) i UIP16000 (16 kilovata) mogu se koristiti u skupinama od nekoliko pojedinačnih jedinica za obradu ugljikovih nanocijevi u velikim razmjerima.”

Književnost

• 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.