Szén nanocsövek (CNT) ultrahangos diszpergálása
A szén nanocsövek erősek és rugalmasak, de nagyon erősen összetapadnak. Nehezen diszpergálhatók folyadékokban, például vízben, etanolban, olajban, polimerben vagy epoxigyantában. Az ultrahang hatékony módszer különálló – egyenként diszpergált – szén nanocsövek előállítására.
A szén nanocsöveket (CNT) ragasztókban, bevonatokban és polimerekben, valamint elektromosan vezető töltőanyagként műanyagokban használják az elektromos berendezésekben és az elektrosztatikusan festhető gépjármű-karosszériaelemekben felhalmozódó sztatikus töltések elvezetésére. Nanocsövek alkalmazásával a polimerek ellenállóbbá tehetők a hőmérséklettel, az agresszív vegyszerekkel, a korrozív környezettel, a szélsőséges nyomással és a kopással szemben. A szén nanocsöveknek két kategóriája van: egyfalú nanocsövek (SWNT) és többfalú nanocsövek (MWNT).
UIP1500hdT ipari ultrahangos homogenizátor szén nanocsövek (CNT) és más nanoanyagok diszpergálásához.
A szén nanocsövek általában száraz anyagként kaphatók, például olyan vállalatoktól, mint a SES Research vagy a CNT Co., Ltd. A nanocsövekben rejlő lehetőségek maximális kiaknázásához egyszerű, megbízható és méretezhető deagglomerálási eljárásra van szükség. Legfeljebb 100 000cP viszkozitású folyadékok esetén az ultrahang nagyon hatékony technológia a nanocsövek kis vagy nagy koncentrációban történő diszpergálására vízben, olajban vagy polimerekben. Az ultrahangos kavitáció következtében kialakuló folyadéksugarak legyőzik a nanocsövek közötti kötőerőket, és szétválasztják a csöveket. Az ultrahanggal létrehozott nyíróerők és mikroturbulenciák révén az ultrahang a nanocsövek felületének bevonását és más anyagokkal való kémiai reakcióját is elősegítheti.
Általában a durva nanocső-diszperziót először hagyományos keverővel előkeverik, majd az ultrahangos átfolyó cellás reaktorban homogenizálják. Az alábbi videó egy laboratóriumi kísérletet mutat be (szakaszos ultrahangos kezelés egy UP400S készülékkel), amelynek során többfalú szén nanocsöveket diszpergálnak vízben, kis koncentrációban. A szén kémiai természete miatt a nanocsövek vízben való diszpergálása meglehetősen nehéz. A videón látható módon könnyen bemutatható, hogy az ultrahangos kezelés képes hatékonyan diszpergálni a nanocsöveket.
Szondás ultrahangos kezeléssel térhálósítóban diszpergált különböző nanotöltőanyagok összehasonlítása): (a) 0,5 wt% szén nanoszál (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxid; (c) 0,5 wt% szén nanocső (CNT); (d) 0,5 wt% részlegesen diszpergált CNT.
Tanulmány és kép: ©Zanghellini et al., 2021
Nagy hosszúságú, különálló SWNT-k diszpergálása
Az SWNT-k feldolgozásának és kezelésének egyik fő problémája, hogy a csövek eredendően oldhatatlanok a szokásos szerves oldószerekben és vízben. A nanocsövek oldalfalának vagy nyitott végeinek funkcionalizálása az SWNT-k és az oldószer közötti megfelelő határfelület kialakítása érdekében többnyire csak az SWNT-k kötélhez hasonló kötegeinek részleges szétbontását eredményezi.
Ennek következtében az SWNT-ket jellemzően kötegekként diszpergálják, nem pedig teljesen elkülönült, különálló objektumokként. Ha a diszpergálás során túl erős kezelési körülményeket alkalmaznak, az SWNT-k 80 és 200nm közötti hosszúságúra rövidülnek. Bár ez bizonyos vizsgálatokhoz hasznos, ez a hosszúság a legtöbb gyakorlati alkalmazáshoz, például félvezetőként vagy erősítőanyagként használt SWNT-khez túl kicsi. A szabályozott, kíméletes ultrahangos kezelés (például 40mm-es szonotródával felszerelt UP200Ht készülékkel) hatékony eljárás hosszú, különálló SWNT-k vizes diszperzióinak előállítására. A kíméletes ultrahangos kezelések sorozatai minimálisra csökkentik a rövidülést, és lehetővé teszik a szerkezeti és elektronikai tulajdonságok maximális megőrzését.
SWNT-k tisztítása polimerrel segített ultrahangos kezeléssel
Az SWNT-k kémiai módosítását nehéz molekuláris szinten vizsgálni, mert nehéz tiszta SWNT-ket előállítani. Az előállítás utáni, tisztítatlan SWNT-k sok szennyeződést, például fémrészecskéket és amorf szenet tartalmaznak. Az SWNT-k ultrahangos kezelése poli(metil-metakrilát) (PMMA) monoklórbenzolos (MCB) oldatában, majd az ezt követő szűrés hatékony módszer az SWNT-k tisztítására. Ez a polimerrel segített tisztítási módszer lehetővé teszi a szennyeződések hatékony eltávolítását az előállítás utáni, tisztítatlan SWNT-kből. (Yudasaka et al.) Az ultrahangos kezelés amplitúdójának pontos szabályozása lehetővé teszi az SWNT-k károsodásának korlátozását.
A Hielscher ultrahangos készülékeinek széles választéka és tartozékai a nanocsövek hatékony diszpergálásához.
- Kompakt laboratóriumi készülékek legfeljebb 400 watt ultrahangos teljesítménnyel kisebb, legfeljebb 2 literes térfogatokban történő diszpergáláshoz
- UIP500hdT, UIP1000hdT és UIP1500hdT ultrahangos processzorok, amelyek nagyobb térfogatok feldolgozására képesek.
- A 2kW (UIP2000hdT) és 4kW (UIP4000hdT) teljesítményű ultrahangos rendszerek szén nanocsövek üzemi léptékű diszpergálására használhatók. Az UIP10000 (10 kilowatt) és az UIP16000 (16 kilowatt) több különálló egységből álló csoportokba rendezve használható szén nanocsövek nagyüzemi feldolgozására.”
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
Szakirodalom
- 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.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt a laboratóriumi mérettől az ipari méretig.