Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Come disperdere i nanotubi di carbonio a parete singola individualmente

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 completamente districate. SWNTs come altre nanoparticelle mostrano forze di attrazione molto elevate, per cui è necessaria una tecnica potente ed efficiente per una deagglomerazione e dispersione affidabile. 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 cavitazionale generate ad ultrasuoni sono sufficientemente potenti per superare le forze di legame, mentre l'intensità degli ultrasuoni può essere regolata con precisione per evitare il danneggiamento degli SWCNT.

Problema:

I nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) si differenziano dai nanotubi di carbonio a parete multipla (MWNT/MWCNT) per le loro proprietà elettriche. Il gap di banda degli SWCNTs può variare da zero a 2 eV eV e la loro conducibilità elettrica ha un comportamento metallico o semiconduttore. Poiché i nanotubi di carbonio a parete singola sono altamente coesivi, uno dei principali ostacoli nella lavorazione degli SWCNT è l'insolubilità intrinseca dei tubi in solventi organici o acqua. Per utilizzare tutto il potenziale degli SWCNT è necessario un processo di deagglomerazione dei tubi semplice, affidabile e scalabile. In particolare, la funzionalizzazione delle pareti laterali del CNT o delle estremità aperte per creare un'interfaccia adeguata tra gli SWCNT e il solvente organico si traduce in esfoliazione parziale degli SWCNT, solo. Pertanto, le SWCNT sono per lo più disperse in fasci piuttosto che in singole corde deagglomerate. Se le condizioni di dispersione sono troppo dure, gli SWCNTs saranno accorciati a lunghezze comprese tra 80 e 200nm. Per la maggior parte delle applicazioni pratiche, cioè per le SWCNT a semiconduttore o di rinforzo, questa lunghezza è troppo piccola.

Soluzione:

L'ultrasonicazione è un metodo molto efficace di dispersione e deagglomerazione di nanotubi di carbonio, in quanto le onde ultrasoniche di ultrasuoni ad alta intensità generano cavitazione nei liquidi. Le onde sonore che si propagano nel mezzo liquido provocano cicli alternati ad alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con velocità a seconda della frequenza. Durante il ciclo a bassa pressione, onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle di vuoto o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume al quale non possono più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. Questo fenomeno è chiamato cavitazione. Durante l'implosione si raggiungono localmente temperature (ca. 5.000K) e pressioni (ca. 2.000atm) molto elevate. L'implosione della bolla di cavitazione produce anche getti di liquido fino a 280m/s di velocità. Questi flussi di getto liquido derivanti da Cavitazione ad ultrasuoniIl sistema di fissaggio tra i nanotubi di carbonio e, di conseguenza, i nanotubi diventano deagglomerati. 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 SWCNTs, i processori ad ultrasuoni di Hielscher consentono il funzionamento con un'ampia gamma di set di parametri ultrasonici. L'ampiezza degli ultrasuoni, la pressione del liquido e la composizione del liquido possono essere variate rispettivamente a seconda del materiale e del processo specifico. Questo offre possibilità di regolazione variabili, come ad esempio

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

 

Inoltre, l'ultrasonicazione come metodo di purificazione assistito da polimeri permette di rimuovere efficacemente le impurità dalle SWCNT coltivate. È difficile studiare la modificazione chimica degli SWCNT a livello molecolare, perché è difficile ottenere SWNT puri. Le SWCNTs coltivate contengono molte impurità, come particelle metalliche e carboni amorfi. L'ultrasonicazione di SWCNTs in una soluzione monoclorobenzene (MCB) di PMMA poli(metacrilato di metile) seguita da filtrazione è un modo efficace per purificare gli SWCNTs. Questo metodo di purificazione assistito da polimeri permette di rimuovere efficacemente le impurità dalle SWCNT coltivate. Un accurato controllo dell'ampiezza dell'ultrasuoni permette di evitare o limitare i danni agli SWCNT.

Disperdere nanotubi di carbonio

 

I dispositivi ad ultrasuoni di Hielscher sono l'ideale

Dispersione ultrasonica di nanotubi (UP400S)

Fatti su SWNTs– diametro di circa 1 nm, con un tubo più lungo di un milione di volte.– estrema forza & rigidità– altissima tenacia– elevatissima conducibilità elettronica e termica– comportamento metallico o semiconduttore

Gli ultrasuoni elettrici sono spesso l'unico strumento affidabile per districare e disperdere i nanotubi.

Disperdere i CNT con il dispositivo da laboratorio di Hielscher UP50H

Apparecchiature ad ultrasuoni

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

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Gli apparecchi ad ultrasuoni ad alta potenza sono un'efficace tecnica di lavorazione industriale per la dissoluzione, l'omogeneizzazione, la dispersione, la deagglomerazione e l'estrazione.

Processore industriale ad ultrasuoni UIP16000 (16kW) per flussi ad alto volume

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Particolarità / Cose da sapere

I dispositivi ad ultrasuoni sono spesso indicati come sonda sonicator, omogeneizzatore ad ultrasuoni, lyser sonico, ultrasuoni disgregatore, smerigliatrice ad ultrasuoni, sono-ruptore, sonifier, dismembratore sonico, distruttore cellulare, dispersore o dissolutore ad ultrasuoni. I diversi termini derivano dalle varie applicazioni che possono essere soddisfatte dalla sonicazione.