Ultrahangos kezeléssel egyenletesen diszpergált CNT-k

A szén nanocsövek (CNT-k) kivételes funkcionális tulajdonságainak kiaknázásához homogénen kell diszpergálni őket.
Az ultrahangos diszpergáló készülékek a CNT-k vizes és oldószeralapú szuszpenziókban történő eloszlatásának leggyakoribb eszközei.
Az ultrahangos diszpergálási technológia kellően nagy nyírási energiát hoz létre ahhoz, hogy a CNT-k teljesen elkülönüljenek egymástól anélkül, hogy károsodnának.

Szén nanocsövek ultrahangos diszpergálása

A szén nanocsövek (CNT-k) hosszúság–átmérő aránya nagyon nagy, sűrűségük alacsony, fajlagos felületük pedig rendkívül nagy (több száz m2/g), ami olyan egyedülálló tulajdonságokat biztosít számukra, mint a nagyon nagy szakítószilárdság, merevség és szívósság, valamint a nagyon nagy elektromos és hővezető képesség. Az egyes szén nanocsöveket (CNT-ket) egymáshoz vonzó Van der Waals-erők miatt a CNT-k általában kötegekbe vagy gombolyagokba rendeződnek. Ezek a molekulák közötti vonzóerők a szomszédos nanocsövek π-kötéseinek egymásra rendeződésén alapulnak; ezt a jelenséget π–π kölcsönhatásnak nevezik. A szén nanocsövek előnyeinek teljes kiaknázásához ezeket az agglomerátumokat szét kell bontani, és a CNT-ket egyenletesen kell eloszlatni egy homogén diszperzióban. Az intenzív ultrahangos kezelés akusztikus kavitációt hoz létre a folyadékokban. Az így keletkező helyi nyírófeszültség szétbontja a CNT-aggregátumokat, és egyenletesen diszpergálja őket egy homogén szuszpenzióban. Az ultrahangos diszpergálási technológia kellően nagy nyírási energiát hoz létre ahhoz, hogy a CNT-k teljesen elkülönüljenek egymástól anélkül, hogy károsodnának. Az ultrahangos kezelést még az érzékeny SWNT-k esetében is sikeresen alkalmazzák az egyes nanocsövek szétválasztására. Az ultrahangos kezelés éppen elegendő mechanikai feszültséget biztosít az SWNT-aggregátumok szétválasztásához anélkül, hogy az egyes nanocsövekben sok törést okozna (Huang, Terentjev 2012).

A CNT-k ultrahangos diszpergálásának előnyei

Egyenként diszpergált CNT-k
Homogén eloszlás
Nagy diszpergálási hatékonyság
Nagy CNT-tartalom
A CNT-k nem degradálódnak
Gyors feldolgozás
Pontos folyamatszabályozás

Az ultrahanggal előállított nanofluidumok hatékony hűtő- és hőcserélő folyadékok. A hővezető nanoanyagok jelentősen növelik a hőátadási és hőelvezetési képességet. Az ultrahangos kezelés bevált módszer a hővezető nanorészecskék szintézisére és funkcionalizálására, valamint a hűtési alkalmazásokhoz használt stabil, nagy teljesítményű nanofluidumok előállítására.

Nagy teljesítményű ultrahangos rendszerek CNT-diszperziókhoz

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű és megbízható ultrahangos berendezéseket kínál a CNT-k hatékony diszpergálásához. Akár kis CNT-mintákat kell előkészítenie elemzéshez és kutatás-fejlesztéshez, akár nagy ipari tételekben kell diszperziókat gyártania, a Hielscher termékkínálatában megtalálja az igényeinek megfelelő ideális ultrahangos rendszert. A laboratóriumi 50W-os ultrahangos készülékektől egészen a kereskedelmi gyártásra szánt 16kW-os ipari ultrahangos egységekig a Hielscher Ultrasonics minden igényére megoldást kínál.
A kiváló minőségű szénnanocső-diszperziók előállításához jól kell szabályozni a folyamatparamétereket. Az amplitúdó, a hőmérséklet, a nyomás és a tartózkodási idő a CNT-k egyenletes eloszlásának legkritikusabb paraméterei. A Hielscher ultrahangos készülékei nemcsak az egyes paraméterek pontos szabályozását teszik lehetővé, hanem a Hielscher digitális ultrahangos rendszereinek beépített SD-kártyáján valamennyi folyamatparamétert automatikusan rögzítik is. Az egyes ultrahangos kezelések jegyzőkönyve segít biztosítani a reprodukálható eredményeket és az állandó minőséget. A böngészőn keresztüli távvezérléssel a felhasználó anélkül működtetheti és felügyelheti az ultrahangos készüléket, hogy az ultrahangos rendszer helyszínén tartózkodna.
Mivel az egyfalú szén nanocsövek (SWNT-k) és a többfalú szén nanocsövek (MWNT-k), valamint a kiválasztott vizes vagy oldószeres közeg sajátos kezelési intenzitást igényelnek, az ultrahang amplitúdója kulcsfontosságú tényező a végtermék szempontjából. A Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorai nagyon nagy és nagyon kis amplitúdókat egyaránt képesek biztosítani. Állítsa be a folyamata követelményeinek megfelelő ideális amplitúdót. Akár 200µm-es amplitúdóval is könnyen biztosítható a folyamatos, 24/7 üzem. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi kialakítású ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. A Hielscher ultrahangos berendezéseinek robusztussága nagy terhelés mellett és igényes környezetben is lehetővé teszi a 24/7 üzemet.
Ügyfeleink elégedettek a Hielscher Ultrasonic rendszereinek kiemelkedő robusztusságával és megbízhatóságával. A nagy terhelésű alkalmazásokban, igényes környezetben és 24/7 üzemben történő telepítés hatékony és gazdaságos feldolgozást biztosít. A folyamat ultrahangos intenzifikálása csökkenti a feldolgozási időt, és jobb eredményeket ér el, azaz jobb minőséget, nagyobb hozamot és innovatív termékeket eredményez.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

Tételtérfogat	Térfogatáram	Ajánlott készülékek
0,5–1,5mL	n.a.	VialTweeter
1–500mL	10–200mL/min	UP100H
10–2000mL	20–400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1–20L	0,2–4L/min	UIP2000hdT
10–100L	2–10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10–100L/min	UIP16000
n.a.	nagyobb	összekapcsolt készülékekből álló csoport: UIP16000

Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!

Szén nanocsövek ultrahangos diszpergálása: a Hielscher UP400S (400W) ultrahangos készülék gyorsan és hatékonyan bontja szét az összegabalyodott szén nanocsöveket, és egyedi nanocsövekként diszpergálja őket.

Kapcsolódó témák

Szakirodalom / Hivatkozások

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.

Hasznos tudnivalók

Mik a szén nanocsövek?

A szén nanocsövek (CNT-k) az egydimenziós szénanyagok különleges osztályába tartoznak, és kivételes mechanikai, elektromos, termikus és optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Fontos összetevőként használják őket korszerű nanoanyagok, például nanokompozitok, erősített polimerek stb. fejlesztésében és gyártásában, ezért a legmodernebb technológiákban alkalmazzák őket. A CNT-k nagyon nagy szakítószilárdsággal, kiváló hőátadási tulajdonságokkal, kis tiltott sávszélességgel és optimális kémiai és fizikai stabilitással rendelkeznek, ami a nanocsöveket számos anyag ígéretes adalékává teszi.
Szerkezetük alapján a CNTS egyfalú szén nanocsövekre (SWNT-k), kétfalú szén nanocsövekre (DWCNT-k) és többfalú szén nanocsövekre (MWNT-k) osztható.
Az SWNT-k üreges, hosszú, hengeres csövek, amelyek falát egyetlen atom vastagságú szénréteg alkotja. A szénatomokból álló réteg méhsejtszerű rácsba rendeződik. Szemléletesen gyakran feltekert egyrétegű grafit- vagy grafénlemezekhez hasonlítják őket.
A DWCNT-k két egyfalú nanocsőből állnak, amelyek közül az egyik a másik belsejében helyezkedik el.
Az MWNT-k a CNT-k olyan formáját alkotják, amelyben több egyfalú szén nanocső helyezkedik el egymás belsejében. Mivel átmérőjük 3–30 nm között van, és több cm hosszúra is megnőhetnek, hosszúság–átmérő arányuk 10 és tízmillió között változhat. A szén nanoszálakkal összehasonlítva az MWNT-k eltérő falszerkezettel, kisebb külső átmérővel és üreges belső térrel rendelkeznek. A kereskedelmi forgalomban elérhető, gyakran használt ipari MWNT-típusok például a Baytubes® C150P, a Nanocyl® NC7000, az Arkema Graphistrength® C100 és a FutureCarbon CNT-MW.
A CNT-k szintézise: A CNT-k plazmaalapú szintézissel vagy ívkisüléses elpárologtatással, lézerablációval, termikus szintézissel, kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) vagy plazmával segített kémiai gőzfázisú leválasztással állíthatók elő.
A CNT-k funkcionalizálása: A szén nanocsövek tulajdonságainak javítása és ezáltal egy adott alkalmazásra való alkalmasságuk növelése érdekében a CNT-ket gyakran funkcionalizálják, például karboxil- (-COOH) vagy hidroxilcsoportok (-OH) hozzáadásával.

Adalékok a CNT-k diszpergálásához

Néhány oldószerrel, például szupersavakkal, ionos folyadékokkal és N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone-nal viszonylag nagy koncentrációjú CNT-diszperziók állíthatók elő, míg a nanocsövekhez leggyakrabban használt oldószerek, például az N-metil-2-pirrolidon (NMP), a dimetil-formamid (DMF) és az 1,2-dichrolobenzene csak nagyon kis koncentrációban képesek diszpergálni a nanocsöveket (például egyfalú CNT-k esetén jellemzően <0,02 wt%). A leggyakoribb diszpergálószerek a polivinil-pirrolidon (PVP), a nátrium-dodecil-benzol-szulfonát (SDBS), a Triton 100 és a nátrium-dodecil-szulfonát (SDS).
A krezolok olyan ipari vegyi anyagok csoportját alkotják, amelyekben a CNT-k akár több tíz tömegszázalékos koncentrációban is feldolgozhatók. A CNT-tartalom növekedésével ez folyamatos átmenetet eredményez a híg diszperzióktól a sűrű pasztákon és az önhordó géleken át egy korábban nem tapasztalt, gyurmához hasonló állapotig. Ezek az állapotok polimerszerű reológiai és viszkoelasztikus tulajdonságokat mutatnak, amelyek más szokásos oldószerekkel nem érhetők el, ami arra utal, hogy a nanocsövek krezolokban valóban szétválnak és finoman diszpergálódnak. A krezolok a feldolgozás után melegítéssel vagy mosással eltávolíthatók a CNT-k felületének megváltoztatása nélkül. [Chiou et al. 2018]

A CNT-diszperziók alkalmazásai

A CNT-k előnyeinek kihasználásához folyadékban, például polimerekben kell diszpergálni őket. Az egyenletesen diszpergált CNT-ket vezetőképes műanyagok, folyadékkristályos kijelzők, szerves fénykibocsátó diódák, érintőképernyők, hajlítható kijelzők, napelemek, vezetőképes tinták, a sztatikus feltöltődés szabályozására szolgáló anyagok – köztük fóliák, habok, szálak és szövetek –, polimerbevonatok és ragasztók, kivételes mechanikai szilárdságú és szívósságú, nagy teljesítményű polimerkompozitok, polimer/CNT kompozitszálak, valamint könnyű és antisztatikus anyagok gyártására használják.

Milyen formákban létezik a szén?
A szén többféle allotróp módosulatban létezik, többek között:

Kristályos formák: gyémánt, grafit, grafén, szén nanocsövek (CNT-k), fullerének (pl. C₆₀).
Amorf formák: faszén, korom, ipari korom, üvegszerű szén, gyémántszerű szén (DLC), egyrétegű amorf szén (MAC).
Hibrid nanoszerkezetek: nanogyémántok, szénhagymák, szénaerogélek és kompozitok, például nanoszén–fém hibridek.

Mindegyik forma sajátos fizikai-kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek fontosak az anyagtudományi, elektronikai és energiatárolási alkalmazások szempontjából.