Ինչպես առանձին դիսպերսել միապատ ածխածնային նանոխողովակները

Միապատ ածխածնային նանոխողովակները (SWNTs կամ SWCNTs) ունեն յուրահատուկ հատկություններ, սակայն դրանք դրսևորելու համար պետք է դիսպերսվեն առանձին։ Միապատ ածխածնային նանոխողովակների բացառիկ հատկություններն ամբողջությամբ օգտագործելու համար անհրաժեշտ է հնարավորինս լիարժեք քանդել խողովակների խճճվածքները։ SWNT-ները, ինչպես մյուս նանոմասնիկները, դրսևորում են ձգողության շատ մեծ ուժեր, ուստի հուսալի դեագլոմերացման և դիսպերսման համար անհրաժեշտ է հզոր ու արդյունավետ մեթոդ։ Մինչ սովորական խառնման մեթոդները չեն ապահովում SWNT-ների խճճվածքներն առանց դրանք վնասելու քանդելու համար անհրաժեշտ ինտենսիվությունը, ապացուցված է, որ բարձր հզորության ուլտրաձայնը քանդում է SWCNT-ների խճճվածքները և դիսպերսում դրանք։ Ուլտրաձայնով առաջացող կավիտացիոն սահքի ուժերը բավականաչափ հզոր են՝ կապակցման ուժերը հաղթահարելու համար, իսկ ուլտրաձայնի ինտենսիվությունը կարելի է ճշգրիտ կարգավորել՝ SWCNT-ների վնասումը կանխելու նպատակով։

Խնդիրը՝

Միապատ ածխածնային նանոխողովակները (SWCNTs) բազմապատ ածխածնային նանոխողովակներից (MWNTs/ MWCNTs) տարբերվում են իրենց էլեկտրական հատկություններով։ SWCNT-ների արգելված գոտու լայնությունը կարող է տատանվել զրոյից մինչև 2 eV, իսկ դրանց էլեկտրահաղորդականությունն ունի մետաղական կամ կիսահաղորդչային բնույթ։ Քանի որ միապատ ածխածնային նանոխողովակները միմյանց ամուր են կպչում, SWCNT-ների մշակման հիմնական խոչընդոտներից մեկը օրգանական լուծիչներում կամ ջրում խողովակների ներհատուկ անլուծելիությունն է։ SWCNT-ների ամբողջ ներուժն օգտագործելու համար անհրաժեշտ է խողովակների դեագլոմերացման պարզ, հուսալի և մասշտաբավորվող գործընթաց։ Մասնավորապես, SWCNT-ների և օրգանական լուծիչի միջև համապատասխան միջերես ստեղծելու նպատակով CNT-ների կողային պատերի կամ բաց ծայրերի ֆունկցիոնալացումը հանգեցնում է SWCNT-ների միայն մասնակի շերտազատման։ Հետևաբար, SWCNT-ները հիմնականում դիսպերսվում են փնջերի, այլ ոչ թե առանձին դեագլոմերացված պարանաձև թելերի տեսքով։ Եթե դիսպերսման պայմանները չափազանց կոշտ լինեն, SWCNT-ները կկարճանան՝ հասնելով 80-ից մինչև 200nm երկարության։ Գործնական կիրառությունների մեծ մասի համար, այսինքն՝ կիսահաղորդչային կամ ամրացնող SWCNT-ների դեպքում, այս երկարությունը չափազանց փոքր է։

Լուծումը՝

Ուլտրաձայնային մշակումը ածխածնային նանոխողովակների դիսպերսման և դեագլոմերացման շատ արդյունավետ մեթոդ է, քանի որ բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքները հեղուկներում առաջացնում են կավիտացիա։ Հեղուկ միջավայրերում տարածվող ձայնային ալիքներն առաջացնում են բարձր ճնշման (սեղմման) և ցածր ճնշման (նոսրացման) հերթագայող ցիկլեր, որոնց կրկնման արագությունը կախված է հաճախականությունից։ Ցածր ճնշման ցիկլի ընթացքում բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքները հեղուկում ստեղծում են փոքր վակուումային պղպջակներ կամ խոռոչներ։ Երբ պղպջակները հասնում են այնպիսի ծավալի, որի դեպքում այլևս չեն կարող էներգիա կլանել, բարձր ճնշման ցիկլի ընթացքում դրանք բուռն կերպով փլուզվում են։ Այս երևույթը կոչվում է կավիտացիա։ Ներսուղղված փլուզման ընթացքում տեղային մակարդակում առաջանում են շատ բարձր ջերմաստիճաններ (մոտ 5 000K) և ճնշումներ (մոտ 2 000atm)։ Կավիտացիոն պղպջակի ներսուղղված փլուզումն առաջացնում է նաև մինչև 280m/s արագությամբ հեղուկային շիթեր։ Այս հեղուկային շիթերը, որոնք առաջանում են ուլտրաձայնային կավիտացիայից, հաղթահարում են ածխածնային նանոխողովակների միջև կապակցման ուժերը, ինչի շնորհիվ նանոխողովակները դեագլոմերացվում են։ Մեղմ, վերահսկվող ուլտրաձայնային մշակումը հարմար մեթոդ է՝ մեծ երկարությամբ դիսպերսված SWCNT-ների՝ մակերևութային ակտիվ նյութերով կայունացված կախույթներ ստեղծելու համար։ SWCNT-ների վերահսկվող արտադրության համար Hielscher-ի ուլտրաձայնային պրոցեսորները հնարավորություն են տալիս աշխատել ուլտրաձայնային պարամետրերի հավաքածուների լայն տիրույթում։ Ուլտրաձայնի ամպլիտուդը, հեղուկի ճնշումը և հեղուկի բաղադրությունը կարելի է փոփոխել՝ համապատասխանեցնելով կոնկրետ նյութին և գործընթացին։ Սա ապահովում է կարգավորման բազմազան հնարավորություններ, ինչպիսիք են՝

• սոնոտրոդի մինչև 170 միկրոն ամպլիտուդներ
• հեղուկի մինչև 10 բար ճնշումներ
• հեղուկի մինչև 15L/min ծավալային հոսքի արագություններ (կախված գործընթացից)
• հեղուկի մինչև 80 degC ջերմաստիճաններ (այլ ջերմաստիճաններ՝ ըստ պահանջի)
• նյութի մինչև 100 000cp մածուցիկություն

 

Բացի այդ, ուլտրաձայնային մշակումը՝ որպես պոլիմերի օժանդակությամբ մաքրման մեթոդ, թույլ է տալիս արդյունավետորեն հեռացնել խառնուրդներն անմիջապես աճեցումից ստացված SWCNT-ներից։ SWCNT-ների քիմիական փոփոխությունը մոլեկուլային մակարդակում ուսումնասիրելը դժվար է, քանի որ դժվար է ստանալ մաքուր SWNT-ներ։ Անմիջապես աճեցումից ստացված SWCNT-ները պարունակում են բազմաթիվ խառնուրդներ, օրինակ՝ մետաղական մասնիկներ և ամորֆ ածխածնի ձևեր։ Պոլի(մեթիլմետակրիլատի)՝ PMMA-ի մոնոքլորբենզոլային (MCB) լուծույթում SWCNT-ների ուլտրաձայնային մշակումը և դրան հաջորդող ֆիլտրումը SWCNT-ների մաքրման արդյունավետ եղանակ են։ Պոլիմերի օժանդակությամբ մաքրման այս մեթոդը թույլ է տալիս արդյունավետորեն հեռացնել խառնուրդներն անմիջապես աճեցումից ստացված SWCNT-ներից։ Ուլտրաձայնային մշակման ամպլիտուդի ճշգրիտ վերահսկումը թույլ է տալիս խուսափել SWCNT-ների վնասումից կամ սահմանափակել այն։

Ուլտրաձայնային սարքավորումներ

Hielscher-ն առաջարկում է բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային պրոցեսորներ ՝ ցանկացած ծավալի ուլտրաձայնային մշակման համար։ 50 վատտից մինչև 16 000 վատտ հզորությամբ ուլտրաձայնային սարքերը, որոնք կարելի է միավորել խմբերի մեջ, թույլ են տալիս յուրաքանչյուր կիրառության համար գտնել համապատասխան ուլտրաձայնային սարք՝ թե՛ լաբորատորիայում, թե՛ արդյունաբերությունում։ Նանոխողովակների բարձր պահանջներով դիսպերսման համար խորհուրդ է տրվում շարունակական ուլտրաձայնային մշակում։ Hielscher-ի հոսքային բջիջների կիրառմամբ հնարավոր է դառնում CNT-ները դիսպերսել բարձր մածուցիկությամբ հեղուկներում, օրինակ՝ պոլիմերներում, բարձր մածուցիկությամբ հալույթներում և ջերմապլաստներում։

Սեղմեք այստեղ՝ բարձր հզորության ուլտրաձայնով նանոխողովակների դիսպերսման և փոփոխման մասին ավելին կարդալու համար։