Az egyfalú szén nanocsövek egyenkénti diszpergálása

Az egyfalú szén nanocsövek (SWNT-k vagy SWCNT-k) egyedülálló tulajdonságokkal rendelkeznek, ezek érvényesüléséhez azonban egyenként kell diszpergálni őket. Az egyfalú szén nanocsövek kivételes tulajdonságainak teljes kihasználásához a csövek összegabalyodását a lehető legteljesebb mértékben meg kell szüntetni. Más nanorészecskékhez hasonlóan az SWNT-k között is igen nagy vonzóerők hatnak, ezért megbízható deagglomerálásukhoz és diszpergálásukhoz nagy teljesítményű és hatékony technika szükséges. Míg a hagyományos keverési technikák nem biztosítják azt az intenzitást, amely az SWNT-k összegabalyodásának károsítás nélküli megszüntetéséhez szükséges, a nagy teljesítményű ultrahang bizonyítottan alkalmas az SWCNT-k szétválasztására és diszpergálására. Az ultrahanggal létrehozott kavitációs nyíróerők elég nagyok a kötőerők leküzdéséhez, az ultrahang intenzitása pedig pontosan beállítható az SWCNT-k károsodásának elkerülése érdekében.

Probléma:

Az egyfalú szén nanocsövek (SWCNT-k) elektromos tulajdonságaikban különböznek a többfalú szén nanocsövektől (MWNT-k/ MWCNT-k). Az SWCNT-k tiltott sávjának szélessége nullától 2 eV-ig változhat, elektromos vezetésük pedig fémes vagy félvezető jellegű. Mivel az egyfalú szén nanocsövek között erős kohézió lép fel, feldolgozásuk egyik fő akadálya, hogy a csövek eredendően oldhatatlanok szerves oldószerekben és vízben. Az SWCNT-kben rejlő lehetőségek teljes kihasználásához a csövek egyszerű, megbízható és méretezhető deagglomerálási eljárására van szükség. Különösen a CNT-k oldalfalainak vagy nyitott végeinek funkcionalizálása, amely az SWCNT-k és a szerves oldószer közötti megfelelő határfelület kialakítását szolgálja, csupán az SWCNT-k részleges exfoliációját eredményezi. Ezért az SWCNT-k többnyire kötegek formájában diszpergálódnak, nem pedig egyedi, deagglomerált szálakként. Ha a diszpergálás körülményei túl erőteljesek, az SWCNT-k 80–200nm hosszúságúra rövidülnek. A legtöbb gyakorlati alkalmazáshoz, például félvezetőként vagy erősítőanyagként használt SWCNT-k esetében ez a hosszúság túl kicsi.

Megoldás:

Az ultrahangos kezelés igen hatékony módszer a szén nanocsövek diszpergálására és deagglomerálására, mivel a nagy intenzitású ultrahang hullámai kavitációt hoznak létre a folyadékokban. A folyékony közegben terjedő hanghullámok váltakozó nagynyomású (sűrítési) és kisnyomású (ritkulási) ciklusokat eredményeznek, amelyek ismétlődési üteme a frekvenciától függ. A kisnyomású ciklus során a nagy intenzitású ultrahanghullámok apró vákuumbuborékokat vagy üregeket hoznak létre a folyadékban. Amikor a buborékok elérnek egy olyan térfogatot, amelynél már nem képesek több energiát elnyelni, egy nagynyomású ciklus során hevesen összeomlanak. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik. Az összeomlás során helyileg igen magas hőmérséklet (kb. 5 000K) és nyomás (kb. 2 000atm) alakul ki. A kavitációs buborék összeomlása akár 280m/s sebességű folyadéksugarakat is létrehoz. Az ultrahangos kavitáció következtében létrejövő folyadéksugarak leküzdik a szén nanocsövek közötti kötőerőket, így a nanocsövek deagglomerálódnak. A kíméletes, szabályozott ultrahangos kezelés megfelelő módszer hosszú, diszpergált SWCNT-ket tartalmazó, felületaktív anyaggal stabilizált szuszpenziók előállítására. Az SWCNT-k szabályozott előállításához a Hielscher ultrahangos processzorai az ultrahangos paraméterek széles tartományában teszik lehetővé a működést. Az ultrahang amplitúdója, a folyadék nyomása és összetétele az adott anyagnak és folyamatnak megfelelően változtatható. Ez változatos beállítási lehetőségeket kínál, például:

• a szonotróda amplitúdója akár 170 mikron
• a folyadék nyomása akár 10 bars
• a folyadék térfogatárama akár 15L/min (a folyamattól függően)
• a folyadék hőmérséklete akár 80 degC (más hőmérsékletek kérésre)
• az anyag viszkozitása akár 100 000cp

 

Az ultrahangos kezelés emellett polimerrel támogatott tisztítási módszerként lehetővé teszi a szennyeződések hatékony eltávolítását a növesztés után kapott SWCNT-kből. Az SWCNT-k kémiai módosítását nehéz molekuláris szinten vizsgálni, mivel nehéz tiszta SWNT-ket előállítani. A növesztés után kapott SWCNT-k számos szennyeződést tartalmaznak, például fémrészecskéket és amorf szenet. Az SWCNT-k ultrahangos kezelése poli(metil-metakrilát) (PMMA) monoklórbenzolos (MCB) oldatában, majd az ezt követő szűrés hatékony módszer az SWCNT-k tisztítására. Ez a polimerrel támogatott tisztítási módszer lehetővé teszi a szennyeződések hatékony eltávolítását a növesztés után kapott SWCNT-kből. Az ultrahangos kezelés amplitúdójának pontos szabályozásával elkerülhető vagy korlátozható az SWCNT-k károsodása.

Ultrahangos berendezések

A Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos processzorokat kínál bármilyen térfogat ultrahangos kezelésére. Az 50 watttól akár 16 000 wattig terjedő teljesítményű, csoportokba is rendezhető ultrahangos készülékek lehetővé teszik a megfelelő ultrahangos berendezés kiválasztását minden alkalmazáshoz, laboratóriumi és ipari környezetben egyaránt. A nanocsövek igényes diszpergálásához folyamatos ultrahangos kezelés ajánlott. A Hielscher átfolyó celláival lehetővé válik a CNT-k diszpergálása nagy viszkozitású folyadékokban, például polimerekben, nagy viszkozitású olvadékokban és hőre lágyuló műanyagokban.

Kattintson ide, és tudjon meg többet a nanocsövek nagy teljesítményű ultrahanggal végzett diszpergálásáról és módosításáról!