Come disperdere individualmente i nanotubi di carbonio a parete singola

I nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT o SWCNT) hanno caratteristiche uniche, ma per esprimerle devono essere dispersi singolarmente. Per sfruttare appieno le eccezionali caratteristiche dei nanotubi di carbonio a parete singola, i tubi devono essere districati nel modo più completo. Gli SWNT, come altre nanoparticelle, presentano forze di attrazione molto elevate, per cui è necessaria una tecnica potente ed efficiente per una deagglomerazione e una dispersione affidabili. Mentre le comuni tecniche di miscelazione non forniscono l'intensità necessaria per districare gli SWNT senza danneggiarli, è dimostrato che gli ultrasuoni ad alta potenza sono in grado di districare e disperdere gli SWCNT. Le forze di taglio cavitazionali generate dagli ultrasuoni sono abbastanza potenti da superare le forze di legame, mentre l'intensità degli ultrasuoni può essere regolata con precisione per evitare di danneggiare gli SWCNT.

Problema:

I nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) si distinguono dai nanotubi di carbonio a parete multipla (MWNT/MWCNT) per le loro proprietà elettriche. Il band gap dei SWCNT può variare da zero a 2 eV e la loro conducibilità elettrica presenta un comportamento metallico o semiconduttore. Poiché i nanotubi di carbonio a parete singola sono altamente coesivi, uno dei principali ostacoli alla lavorazione dei SWCNT è l'insolubilità intrinseca dei tubi nei solventi organici o nell'acqua. Per sfruttare appieno il potenziale dei SWCNT, è necessario un processo di deagglomerazione dei tubi semplice, affidabile e scalabile. In particolare, la funzionalizzazione delle pareti laterali o delle estremità aperte dei CNT per creare un'interfaccia adeguata tra i SWCNT e il solvente organico determina solo un'esfoliazione parziale dei SWCNT. Pertanto, i SWCNT sono per lo più dispersi come fasci piuttosto che come singole corde deagglomerate. Se le condizioni di dispersione sono troppo severe, gli SWCNT si accorciano a lunghezze comprese tra 80 e 200 nm. Per la maggior parte delle applicazioni pratiche, cioè per le SWCNT semiconduttrici o rinforzanti, questa lunghezza è troppo piccola.

Soluzione:

L'ultrasonicazione è un metodo molto efficace per disperdere e deagglomerare i nanotubi di carbonio, poiché le onde ultrasoniche ad alta intensità generano cavitazione nei liquidi. Le onde sonore propagate nel mezzo liquido danno luogo a cicli alternati di alta pressione (compressione) e di bassa pressione (rarefazione), con tassi che dipendono dalla frequenza. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume tale da non poter più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. Questo fenomeno è definito cavitazione. Durante l'implosione si raggiungono localmente temperature (circa 5.000K) e pressioni (circa 2.000atm) molto elevate. L'implosione della bolla di cavitazione provoca anche getti di liquido con una velocità fino a 280 m/s. Questi getti liquidi risultanti da Cavitazione ad ultrasuoni, superano le forze di legame tra i nanotubi di carbonio e quindi i nanotubi si deagglomerano. Un trattamento a ultrasuoni delicato e controllato è un metodo appropriato per creare sospensioni stabilizzate con tensioattivi di SWCNT dispersi di lunghezza elevata. Per la produzione controllata di SWCNT, i processori a ultrasuoni di Hielscher consentono di lavorare con un'ampia gamma di parametri ultrasonici. L'ampiezza degli ultrasuoni, la pressione del liquido e la composizione del liquido possono essere variate in base al materiale e al processo specifici. Ciò offre diverse possibilità di regolazione, come ad esempio

• ampiezza del sonotrodo fino a 170 micron
• pressione dei liquidi fino a 10 bar
• portate di liquido fino a 15L/min (a seconda del processo)
• temperature dei liquidi fino a 80°C (altre temperature su richiesta)
• viscosità del materiale fino a 100.000cp

 

Inoltre, gli ultrasuoni come metodo di purificazione assistito da polimeri consentono di rimuovere efficacemente le impurità dagli SWCNT cresciuti. È difficile studiare la modifica chimica dei SWCNT a livello molecolare, perché è difficile ottenere SWNT puri. I SWCNT cresciuti contengono molte impurità, come particelle metalliche e carboni amorfi. L'ultrasuonizzazione dei SWCNT in una soluzione di monoclorobenzene (MCB) di poli(metacrilato di metile) PMMA, seguita da filtrazione, è un metodo efficace per purificare i SWCNT. Questo metodo di purificazione assistito da polimeri consente di rimuovere efficacemente le impurità dagli SWCNT cresciuti. Il controllo accurato dell'ampiezza degli ultrasuoni consente di evitare o limitare il danneggiamento degli SWCNT.

Apparecchiature a ultrasuoni

Hielscher offre prestazioni elevate Processori a ultrasuoni per la sonicazione di ogni volume. Dispositivi a ultrasuoni da 50 watt a 16.000 watt, che possono essere installati in cluster, consentono di trovare l'ultrasuono appropriato per ogni applicazione, sia in laboratorio che nell'industria. Per la dispersione sofisticata dei nanotubi, si raccomanda una sonicazione continua. Utilizzando le celle di flusso di Hielscher, è possibile disperdere i CNT in liquidi ad alta viscosità come polimeri, fusioni ad alta viscosità e termoplastici.

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