Uniformno dispergirani CNT ultrazvučnom obradom
Kako bi se iskoristile iznimne funkcionalnosti ugljikovih nanocijevi (CNT), one moraju biti homogeno raspršene.
Ultrazvučni raspršivači najčešći su alat za distribuciju CNT-a u vodene suspenzije i suspenzije na bazi otapala.
Tehnologija ultrazvučnog raspršivanja stvara dovoljno visoku energiju smicanja za postizanje potpunog odvajanja CNT bez njihovog oštećenja.
Ultrazvučno raspršivanje ugljikovih nanocijevi
Ugljikove nanocijevi (CNT) imaju vrlo visok omjer širine i visine i pokazuju nisku gustoću, kao i ogromnu površinu (nekoliko stotina m2/g), što im daje jedinstvena svojstva kao što su vrlo visoka vlačna čvrstoća, krutost i žilavost te vrlo visoka električna i toplinska vodljivost. Zbog Van der Waalsovih sila, koje privlače pojedinačne ugljikove nanocijevi (CNT) jedne za druge, CNT se normalno raspoređuju u snopove ili uvojke. Ove međumolekularne sile privlačenja temelje se na fenomenu slaganja π-veza između susjednih nanocijevi poznatom kao π-slaganje. Kako bi se izvukla potpuna korist od ugljikovih nanocijevi, ove nakupine moraju biti rastavljene, a CNT se moraju ravnomjerno rasporediti u homogenu disperziju. Intenzivna ultrazvučna obrada stvara akustičnu kavitaciju u tekućinama. Time generirano lokalno smično naprezanje razbija CNT agregate i ravnomjerno ih raspršuje u homogenu suspenziju. Tehnologija ultrazvučnog raspršivanja stvara dovoljno visoku smičnu energiju za postizanje potpunog odvajanja CNT bez njihovog oštećenja. Čak se i za osjetljive SWNT-ove ultrazvuk uspješno primjenjuje za njihovo pojedinačno rastavljanje. Ultrazvučna obrada samo isporučuje dovoljnu razinu naprezanja za odvajanje SWNT agregata bez uzrokovanja mnogo loma pojedinačnih nanocijevi (Huang, Terentjev 2012).
- Jednostruko dispergirani CNT
- Homogena distribucija
- Visoka učinkovitost disperzije
- Visoka CNT opterećenja
- Nema CNT degradacije
- Brza obrada
- precizna kontrola procesa
UIP2000hdT – 2kW snažan ultrasonicator za CNT disperzije
Ultrazvučni sustavi visokih performansi za CNT disperzije
Hielscher Ultrasonics isporučuje moćnu i pouzdanu ultrazvučnu opremu za učinkovito raspršivanje CNT-a. Bilo da trebate pripremiti male CNT uzorke za analizu i R&D ili morate proizvoditi velike industrijske serije rasutih disperzija, Hielscherov asortiman proizvoda nudi idealan ultrazvučni sustav za vaše zahtjeve. Iz Ultrazvučni uređaji od 50 W za laboratorij do 16kW industrijske ultrazvučne jedinice za komercijalnu proizvodnju, Hielscher Ultrasonics vas pokriva.
Za proizvodnju visokokvalitetnih disperzija ugljikovih nanocijevi, procesni parametri moraju biti dobro kontrolirani. Amplituda, temperatura, tlak i vrijeme zadržavanja najkritičniji su parametri za ravnomjernu distribuciju CNT-a. Hielscherovi ultrazvučni uređaji ne samo da omogućuju preciznu kontrolu svakog parametra, već se svi procesni parametri automatski bilježe na integriranu SD karticu Hielscherovih digitalnih ultrazvučnih sustava. Protokol svakog procesa sonikacije pomaže osigurati ponovljive rezultate i dosljednu kvalitetu. Preko daljinske kontrole preglednika korisnik može upravljati i nadzirati ultrazvučni uređaj bez da se nalazi na lokaciji ultrazvučnog sustava.
Budući da ugljikove nanocijevi s jednom stijenkom (SWNT) i ugljikove nanocijevi s više stijenki (MWNT) kao i odabrani vodeni medij ili medij otapala zahtijevaju specifične intenzitete obrade, ultrazvučna amplituda je ključni faktor kada je u pitanju konačni proizvod. Hielscher ultrazvuk’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke kao i vrlo blage amplitude. Odredite idealnu amplitudu za svoje zahtjeve procesa. Čak i amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad pri teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima.
Naši kupci su zadovoljni izvanrednom robusnošću i pouzdanošću Hielscher Ultrasonic sustava. Instalacija u područjima teških aplikacija, zahtjevnim okruženjima i rad 24/7 osigurava učinkovitu i ekonomičnu obradu. Intenziviranjem ultrazvučnog procesa skraćuje se vrijeme obrade i postižu bolji rezultati, tj. veća kvaliteta, veći prinosi, inovativni proizvodi.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0.5 do 1,5 ml | na | VialTweeter |
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni procesori velike snage od laboratorijskih do pilotskih i industrijskih razmjera.
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.
Činjenice koje vrijedi znati
Što su ugljikove nanocijevi
Ugljikove nanocijevi (CNT) dio su posebne klase jednodimenzionalnih ugljičnih materijala koji pokazuju iznimna mehanička, električna, toplinska i optička svojstva. Oni su glavna komponenta koja se koristi u razvoju i proizvodnji naprednih nanomaterijala kao što su nano-kompoziti, ojačani polimeri itd. i stoga se koriste u najsuvremenijim tehnologijama. CNT-ovi pokazuju vrlo visoku vlačnu čvrstoću, superiorna svojstva toplinskog prijenosa, niske pojaseve i optimalnu kemijsku i fizičku stabilnost, što nanocijevi čini obećavajućim aditivom za različite materijale.
Ovisno o njihovoj strukturi, CNTS se razlikuju u ugljikove nanocijevi s jednom stijenkom (SWNT), ugljikove nanocijevi s dvostrukom stijenkom (DWCNT) i ugljikove nanocijevi s više stijenki (MWNT).
SWNT su šuplje, dugačke cilindrične cijevi napravljene od stijenke ugljika debljine jednog atoma. Atomski sloj ugljika raspoređen je u rešetku saća. Često se konceptualno uspoređuju s smotanim pločama jednoslojnog grafita ili grafena.
DWCNT se sastoje od dvije nanocijevi s jednom stijenkom, od kojih je jedna ugniježđena u drugu.
MWNT su CNT oblik, gdje je više ugljičnih nanocijevi s jednom stijenkom ugniježđeno jedna u drugu. Budući da im je promjer između 3-30 nm i kako mogu narasti nekoliko cm, njihov omjer širine i visine može varirati između 10 i deset milijuna. U usporedbi s ugljikovim nanovlaknima, MWNT imaju drugačiju strukturu stijenke, manji vanjski promjer i šuplju unutrašnjost. Uobičajeno korišteni industrijski dostupni tipovi MWNT-a su npr. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 i FutureCarbon CNT-MW.
Sinteza CNT-a: CNT se mogu proizvesti metodom sinteze temeljenom na plazmi ili metodom isparavanja lučnim pražnjenjem, metodom laserske ablacije, postupkom toplinske sinteze, kemijskim taloženjem iz pare (CVD) ili kemijskim taloženjem iz pare pojačanim plazmom.
Funkcionalizacija CNT-a: Kako bi se poboljšale karakteristike ugljikovih nanocijevi i učinile ih prikladnijima za određenu primjenu, CNT se često funkcionaliziraju, npr. dodavanjem karboksilne kiseline (-COOH) ili hidroksilne (-OH) skupine.
CNT dispergirajući dodaci
Nekoliko otapala kao što su super kiseline, ionske tekućine i N-cikloheksil-2-pirolidnon mogu pripremiti relativno visoke koncentracije disperzija CNT-a, dok su najčešća otapala za nanocijevi, kao što je N-metil-2-pirolidon (NMP). ), dimetilformamid (DMF) i 1,2-dikrolobenzen, mogu dispergirati nanocijevi samo pri vrlo niskim koncentracijama (npr. <0.02 wt% CNT s jednom stijenkom). Najčešća sredstva za disperziju su polivinilpirolidon (PVP), natrijev dodecil benzen sulfonat (SDBS), Triton 100 ili natrijev dodecil sulfonat (SDS).
Krezoli su skupina industrijskih kemikalija koje mogu obraditi CNT u koncentracijama do desetak postotaka težine, što rezultira kontinuiranim prijelazom iz razrijeđenih disperzija, gustih pasta i samostojećih gelova u stanje nalik tijestu bez presedana, kako se opterećenje CNT-om povećava . Ova stanja pokazuju reološka i viskoelastična svojstva slična polimerima, koja se ne mogu postići s drugim uobičajenim otapalima, što sugerira da su nanocijevi doista rastavljene i fino raspršene u krezolima. Krezoli se mogu ukloniti nakon obrade zagrijavanjem ili pranjem, bez mijenjanja površine CNT-a. [Chiou et al. 2018.]
Primjena CNT disperzija
Da bi se iskoristile prednosti CNT-a, moraju se raspršiti u tekućinu kao što je polimer. Ravnomjerno raspršeni CNT-i koriste se za proizvodnju vodljive plastike, zaslona s tekućim kristalima, organskih svjetlećih dioda, zaslona osjetljivih na dodir, fleksibilnih zaslona, solarnih ćelija, vodljive tinte, materijale za kontrolu statičkog elektriciteta, uključujući filmove, pjene, vlakna i tkanine, polimerne premaze i ljepila, polimerne kompozite visokih performansi s izuzetnom mehaničkom čvrstoćom i žilavošću, polimer/CNT kompozitna vlakna, kao i lagane i antistatičke materijale.
Koji su oblici ugljika?
Ugljik postoji u nekoliko alotropa, uključujući:
- Kristalni oblici: dijamant, grafit, grafen, ugljikove nanocijevi (CNT), fulereni (npr. C60).
- Amorfni oblici: ugljen, čađa, čađa, staklasti ugljik, ugljik sličan dijamantu (DLC), jednoslojni amorfni ugljik (MAC).
- Hibridne nanostrukture: Nanodijamanti, ugljični lukovi, ugljikovi aerogelovi i kompoziti poput hibrida nanougljika i metala.
Svaki oblik pokazuje različita fizikalno-kemijska svojstva relevantna za primjenu u znanosti o materijalima, elektronici i skladištenju energije.