Szén nanocsövek ultrahangos diszpergálása (CNT)

A szén nanocsövek erősek és rugalmasak, de nagyon összetartóak. Nehéz diszpergálni folyadékokba, például vízbe, etanolba, olajba, polimerbe vagy epoxigyantába. Az ultrahang hatékony módszer a diszkrét előállítására – egyszeresen diszpergált – szén nanocsövek.

A szén nanocsöveket (CNT) ragasztókban, bevonatokban és polimerekben, valamint elektromosan vezető töltőanyagként használják műanyagokban a statikus töltések eloszlatására az elektromos berendezésekben és az elektrosztatikusan festhető karosszériaelemekben. A nanocsövek használatával a polimerek ellenállóbbá tehetők a hőmérséklettel, az erős vegyszerekkel, a korrozív környezettel, az extrém nyomással és a kopással szemben. A szén nanocsöveknek két kategóriája van: egyfalú nanocsövek (SWNT) és többfalú nanocsövek (MWNT).

A szén nanocsövek általában száraz anyagként kaphatók, pl. olyan vállalatoktól, mint SES kutatás vagy CNT Co., Ltd. A nanocsövek maximális potenciáljának kihasználása érdekében egyszerű, megbízható és skálázható deagglomerációs folyamatra van szükség. Legfeljebb 100 000 cP folyadékok esetében az ultrahang nagyon hatékony technológia a nanocsövek vízben, olajban vagy polimerekben történő diszpergálására alacsony vagy magas koncentrációban. A folyékony sugáráramok ultrahangos kavitáció, legyőzi a nanocsövek közötti kötőerőket, és szétválasztja a csöveket. Az ultrahanggal generált nyíróerők és mikroturbulenciák miatt az ultrahang segíthet a nanocsövek felületi bevonásában és kémiai reakciójában más anyagokkal is.

Általában egy durva nanocső-diszperziót először egy standard keverővel előkeverünk, majd homogenizáljuk az ultrahangos áramlási cellás reaktorban. Az alábbi videó egy laboratóriumi vizsgálatot mutat be (kötegelt szonikálás egy UP400S) többfalú szén nanocsövek diszpergálása vízben alacsony koncentrációban. A szén kémiai természete miatt a nanocsövek diszpergáló viselkedése vízben meglehetősen nehéz. Amint az a videóban látható, könnyen bizonyítható, hogy az ultrahangos kezelés képes hatékonyan eloszlatni a nanocsöveket.

Nagy hosszúságú egyedi SWNT-k diszperziója

Az SWNT-k feldolgozásának és manipulálásának egyik fő problémája a csövek oldhatatlansága a közönséges szerves oldószerekben és vízben. A nanocső oldalfalának vagy nyitott végeinek funkcionalizálása az SWNT-k és az oldószer közötti megfelelő interfész létrehozása érdekében többnyire csak az SWNT-kötelek részleges hámlasztásához vezet.
Ennek eredményeképpen az SWNT-k általában kötegekként vannak szétszórva, nem pedig teljesen elkülönített különálló objektumokként. Ha a diszperzió során túl mostoha körülményeket alkalmaznak, az SWNT-k 80 és 200 nm közötti hosszúságra rövidülnek. Bár ez bizonyos teszteknél hasznos, ez a hossz túl kicsi a legtöbb gyakorlati alkalmazáshoz, például félvezető vagy megerősítő SWNT-khez. Ellenőrzött, enyhe ultrahangos kezelés (pl. UP200Ht 40mm sonotrode) hatékony eljárás hosszú egyedi SWNT-k vizes diszperzióinak előállítására. Az enyhe ultrahangos szekvenciák minimalizálják a rövidítést és lehetővé teszik a szerkezeti és elektronikus tulajdonságok maximális megőrzését.

Az SWNT tisztítása polimerrel segített ultrahangos kezeléssel

Nehéz molekuláris szinten tanulmányozni az SWNT-k kémiai módosulását, mert nehéz tiszta SWNT-ket előállítani. A termesztett SWNT-k sok szennyeződést tartalmaznak, például fémrészecskéket és amorf szénatomokat. Az SWNT-k ultrahangos kezelése poli(metil-metakrilát) PMMA monoklórbenzol (MCB) oldatában, amelyet szűrés követ, hatékony módja az SWNT-k tisztításának. Ez a polimerrel segített tisztítási módszer lehetővé teszi a szennyeződések hatékony eltávolítását a termesztett SWNT-kből. (Yudasaka és mtsai.) Az ultrahangos amplitúdó pontos szabályozása lehetővé teszi az SWNT-k károsodásának korlátozását.

Hielscher’s ultrahangos készülékek széles választéka és tartozékok a nanocsövek hatékony diszpergálásához.

• Kompakt laboratóriumi eszközök legfeljebb 400 wattos ultrahang teljesítmény kisebb, legfeljebb 2 literes térfogatokba történő diszpergáláshoz
• UIP500hdt, UIP1000hdt és UIP1500hdT ultrahangos processzorok, amelyek nagyobb mennyiségeket képesek feldolgozni.
• Ultrahangos rendszerek 2kW (UIP2000hdT) és 4kW (UIP4000hdT) szén nanocsövek gyártási léptékű diszpergálására használható. A UIP10000 (10 kilowatt) és a UIP16000 (16 kilowatt) több egyedi egységből álló klaszterekben használható szén nanocsövek nagy léptékű feldolgozásához.”

Irodalom

• 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.