Ravnomjerno dispergirane ugljikove nanocijevi primjenom ultrazvuka
Kako bi se iskoristile iznimne funkcionalne značajke ugljikovih nanocijevi (CNT), one moraju biti homogeno dispergirane.
Ultrazvučni dispergatori najčešći su alat za raspodjelu ugljikovih nanocijevi u vodenim suspenzijama i suspenzijama na bazi otapala.
Tehnologija ultrazvučnog dispergiranja stvara dovoljno visoku smičnu energiju za postizanje potpunog razdvajanja ugljikovih nanocijevi bez njihova oštećivanja.
Ultrazvučno dispergiranje ugljikovih nanocijevi
Ugljikove nanocijevi (CNT) imaju vrlo visok omjer duljine i promjera te malu gustoću i golemu specifičnu površinu (nekoliko stotina m2/g), što im daje jedinstvena svojstva poput vrlo visoke vlačne čvrstoće, krutosti i žilavosti te vrlo visoke električne i toplinske vodljivosti. Zbog van der Waalsovih sila, koje međusobno privlače pojedinačne ugljikove nanocijevi (CNT), one se obično organiziraju u snopove ili spletove. Te međumolekulske privlačne sile temelje se na pojavi slaganja π-veza između susjednih nanocijevi, poznatoj kao π-slaganje. Kako bi se u potpunosti iskoristile prednosti ugljikovih nanocijevi, ti se aglomerati moraju rasplesti, a ugljikove nanocijevi ravnomjerno raspodijeliti u homogenoj disperziji. Intenzivna sonikacija stvara akustičnu kavitaciju u tekućinama. Pritom nastalo lokalno smično naprezanje razbija agregate ugljikovih nanocijevi i ravnomjerno ih dispergira u homogenoj suspenziji. Tehnologija ultrazvučnog dispergiranja stvara dovoljno visoku smičnu energiju za postizanje potpunog razdvajanja ugljikovih nanocijevi bez njihova oštećivanja. Čak se i kod osjetljivih jednostijenih ugljikovih nanocijevi (SWNT) sonikacija uspješno primjenjuje za njihovo pojedinačno rasplitanje. Sonikacija pruža upravo dovoljnu razinu naprezanja za razdvajanje agregata jednostijenih ugljikovih nanocijevi bez uzrokovanja znatnog lomljenja pojedinačnih nanocijevi (Huang, Terentjev 2012).
- Pojedinačno dispergirane ugljikove nanocijevi
- Homogena raspodjela
- Visoka učinkovitost dispergiranja
- Visoki udjeli ugljikovih nanocijevi
- Bez razgradnje ugljikovih nanocijevi
- Brza obrada
- Precizna kontrola procesa
UIP2000hdT – snažan ultrazvučni uređaj od 2kW za disperzije ugljikovih nanocijevi
Ultrazvučni sustavi visokih performansi za disperzije ugljikovih nanocijevi
Hielscher Ultrasonics isporučuje snažnu i pouzdanu ultrazvučnu opremu za učinkovito dispergiranje ugljikovih nanocijevi (CNTs). Bilo da trebate pripremiti male uzorke ugljikovih nanocijevi (CNTs) za analizu te istraživanje i razvoj ili proizvesti velike industrijske šarže disperzija u velikim količinama, asortiman proizvoda tvrtke Hielscher nudi idealan ultrazvučni sustav za vaše zahtjeve. Od ultrazvučnih uređaja od 50W za laboratorij do industrijskih ultrazvučnih jedinica od 16kW za komercijalnu proizvodnju, Hielscher Ultrasonics pokriva sve vaše potrebe.
Za proizvodnju visokokvalitetnih disperzija ugljikovih nanocijevi procesni parametri moraju biti dobro kontrolirani. Amplituda, temperatura, tlak i vrijeme zadržavanja najvažniji su parametri za ravnomjernu raspodjelu ugljikovih nanocijevi (CNTs). Ultrazvučni uređaji tvrtke Hielscher ne omogućuju samo preciznu kontrolu svakog parametra, nego se svi procesni parametri i automatski bilježe na ugrađenu SD karticu digitalnih ultrazvučnih sustava tvrtke Hielscher. Zapis svakog procesa sonikacije pomaže osigurati ponovljive rezultate i ujednačenu kvalitetu. Putem daljinskog upravljanja u pregledniku korisnik može upravljati ultrazvučnim uređajem i nadzirati ga bez prisutnosti na lokaciji ultrazvučnog sustava.
Budući da jednostijene ugljikove nanocijevi (SWNTs) i višestijene ugljikove nanocijevi (MWNTs), kao i odabrani vodeni medij ili medij na bazi otapala, zahtijevaju specifične intenzitete obrade, ultrazvučna amplituda ključan je čimbenik za konačni proizvod. Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu ostvariti vrlo visoke, ali i vrlo niske amplitude. Odredite idealnu amplitudu za zahtjeve svojeg procesa. Čak se i amplitude do 200µm mogu lako kontinuirano održavati u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost ultrazvučne opreme tvrtke Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Naši su kupci zadovoljni iznimnom robusnošću i pouzdanošću sustava tvrtke Hielscher Ultrasonic. Ugradnja u područjima primjene s velikim opterećenjima, u zahtjevnim okruženjima i uz rad 24/7 osigurava učinkovitu i ekonomičnu obradu. Ultrazvučna intenzifikacija procesa skraćuje vrijeme obrade i postiže bolje rezultate, odnosno višu kvalitetu, veće prinose i inovativne proizvode.
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0,5 do 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni procesori velike snage za laboratorijsko, pilotno i industrijsko mjerilo.
Literatura / Reference
- 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.
Korisne činjenice
Što su ugljikove nanocijevi
Ugljikove nanocijevi (CNT) pripadaju posebnoj skupini jednodimenzijskih ugljikovih materijala koji pokazuju iznimna mehanička, električna, toplinska i optička svojstva. Važna su komponenta koja se upotrebljava u razvoju i proizvodnji naprednih nanomaterijala, kao što su nanokompoziti, ojačani polimeri itd., pa se stoga primjenjuju u najsuvremenijim tehnologijama. Ugljikove nanocijevi pokazuju vrlo visoku vlačnu čvrstoću, izvrsna svojstva prijenosa topline, male širine zabranjenih energetskih pojaseva te optimalnu kemijsku i fizikalnu stabilnost, što ih čini obećavajućim dodatkom raznovrsnim materijalima.
Ovisno o strukturi, CNTS se dijele na jednostijene ugljikove nanocijevi (SWNT), dvostijene ugljikove nanocijevi (DWCNT) i višestijene ugljikove nanocijevi (MWNT).
Jednostijene ugljikove nanocijevi šuplje su, duge cilindrične cijevi sa stijenkom od ugljika debljine jednog atoma. Atomski sloj ugljika raspoređen je u rešetku oblika saća. Često ih se konceptualno uspoređuje sa smotanim listovima jednoslojnog grafita ili grafena.
Dvostijene ugljikove nanocijevi sastoje se od dviju jednostijenih nanocijevi, od kojih je jedna smještena unutar druge.
Višestijene ugljikove nanocijevi oblik su ugljikovih nanocijevi u kojem je više jednostijenih ugljikovih nanocijevi smješteno jedna unutar druge. Budući da im je promjer u rasponu 3–30 nm i da mogu narasti do nekoliko cm duljine, njihov omjer duljine i promjera može varirati između 10 i deset milijuna. U usporedbi s ugljikovim nanovlaknima, višestijene ugljikove nanocijevi imaju drukčiju strukturu stijenke, manji vanjski promjer i šuplju unutrašnjost. Često korištene industrijski dostupne vrste višestijenih ugljikovih nanocijevi su, primjerice, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 i FutureCarbon CNT-MW.
Sinteza ugljikovih nanocijevi: Ugljikove nanocijevi mogu se proizvoditi metodom sinteze na bazi plazme ili metodom isparavanja električnim lukom, metodom laserske ablacije, postupkom toplinske sinteze, kemijskim taloženjem iz parne faze (CVD) ili plazmom potpomognutim kemijskim taloženjem iz parne faze.
Funkcionalizacija ugljikovih nanocijevi: Kako bi se poboljšala svojstva ugljikovih nanocijevi i time povećala njihova prikladnost za određenu primjenu, ugljikove nanocijevi često se funkcionaliziraju, primjerice dodavanjem karboksilnih (-COOH) ili hidroksilnih (-OH) skupina.
Dodaci za dispergiranje ugljikovih nanocijevi
Neka otapala, kao što su superkiseline, ionske tekućine i N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, omogućuju pripremu disperzija ugljikovih nanocijevi relativno visokih koncentracija, dok najčešća otapala za nanocijevi, kao što su N-metil-2-pirolidon (NMP), dimetilformamid (DMF) i 1,2-dichrolobenzene, mogu dispergirati nanocijevi samo pri vrlo niskim koncentracijama (primjerice, obično <0,02 wt% jednostijenih ugljikovih nanocijevi). Najčešća sredstva za dispergiranje su polivinilpirolidon (PVP), natrijev dodecilbenzensulfonat (SDBS), Triton 100 ili natrijev dodecilsulfonat (SDS).
Krezoli su skupina industrijskih kemikalija koje omogućuju obradu ugljikovih nanocijevi pri koncentracijama do nekoliko desetaka masenih postotaka, pri čemu s povećanjem udjela ugljikovih nanocijevi dolazi do kontinuiranog prijelaza od razrijeđenih disperzija, gustih pasti i samostojećih gelova do dosad nezabilježenog stanja nalik masi za modeliranje. Ta stanja pokazuju reološka i viskoelastična svojstva nalik polimerima, koja se ne mogu postići drugim uobičajenim otapalima, što upućuje na to da su nanocijevi doista razdvojene iz agregata i fino dispergirane u krezolima. Krezoli se nakon obrade mogu ukloniti zagrijavanjem ili ispiranjem, bez promjene površine ugljikovih nanocijevi. [Chiou et al. 2018]
Primjene disperzija ugljikovih nanocijevi
Kako bi se iskoristile prednosti ugljikovih nanocijevi, one moraju biti dispergirane u tekućini poput polimera. Ravnomjerno dispergirane ugljikove nanocijevi upotrebljavaju se za proizvodnju vodljive plastike, zaslona s tekućim kristalima, organskih svjetlećih dioda, dodirnih zaslona, savitljivih zaslona, solarnih ćelija, vodljivih tinti, materijala za kontrolu statičkog elektriciteta, uključujući filmove, pjene, vlakna i tkanine, polimernih premaza i ljepila, polimernih kompozita visokih performansi s iznimnom mehaničkom čvrstoćom i žilavošću, kompozitnih vlakana od polimera i ugljikovih nanocijevi te laganih i antistatičkih materijala.
Koji su oblici ugljika?
Ugljik postoji u nekoliko alotropskih oblika, uključujući:
- Kristalni oblici: dijamant, grafit, grafen, ugljikove nanocijevi (CNT), fulereni (npr. C₆₀).
- Amorfni oblici: drveni ugljen, čađa, industrijska čađa, staklasti ugljik, ugljik sličan dijamantu (DLC), jednoslojni amorfni ugljik (MAC).
- Hibridne nanostrukture: nanodijamanti, ugljikove lukovičaste nanostrukture, ugljikovi aerogelovi i kompoziti poput hibrida nanougljika i metala.
Svaki oblik pokazuje različita fizikalno-kemijska svojstva važna za primjene u znanosti o materijalima, elektronici i pohrani energije.