Come disperdere singolarmente i nanotubi di carbonio a parete singola

I nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT o SWCNT) possiedono caratteristiche uniche, ma per manifestarle devono essere dispersi singolarmente. Per sfruttare appieno le eccezionali caratteristiche dei nanotubi di carbonio a parete singola, è necessario districarli il più completamente possibile. Come altre nanoparticelle, gli SWNT presentano forze di attrazione molto elevate, pertanto è necessaria una tecnica potente ed efficiente per ottenere una deagglomerazione e una dispersione affidabili. Mentre le comuni tecniche di miscelazione non forniscono l’intensità necessaria per districare gli SWNT senza danneggiarli, gli ultrasuoni ad alta potenza hanno dimostrato di poter districare e disperdere gli SWCNT. Le forze di taglio generate dalla cavitazione ultrasonica sono sufficientemente intense 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) differiscono dai nanotubi di carbonio a pareti multiple (MWNT/ MWCNT) per le loro proprietà elettriche. La banda proibita degli 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 fortemente coesivi, uno dei principali ostacoli alla lavorazione degli SWCNT è la loro intrinseca insolubilità nei solventi organici o nell’acqua. Per sfruttare appieno il potenziale degli SWCNT, è necessario un processo di deagglomerazione dei nanotubi semplice, affidabile e scalabile. In particolare, la funzionalizzazione delle pareti laterali o delle estremità aperte dei CNT per creare un’interfaccia adeguata tra gli SWCNT e il solvente organico produce soltanto un’esfoliazione parziale degli SWCNT. Pertanto, gli SWCNT vengono dispersi prevalentemente sotto forma di fasci anziché di singoli filamenti deagglomerati. Se le condizioni durante la dispersione sono troppo severe, gli SWCNT si accorciano fino a raggiungere lunghezze comprese tra 80 e 200nm. Per la maggior parte delle applicazioni pratiche, ossia per gli SWCNT impiegati come semiconduttori o come rinforzo, questa lunghezza è insufficiente.

Soluzione:

La sonicazione è un metodo molto efficace per la dispersione e la deagglomerazione dei nanotubi di carbonio, poiché le onde ultrasoniche ad alta intensità generano cavitazione nei liquidi. Le onde sonore che si propagano nei mezzi liquidi producono cicli alternati di alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con una cadenza che dipende dalla frequenza. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle di vuoto o cavità nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume al quale non possono più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo di alta pressione. Questo fenomeno è denominato cavitazione. Durante l’implosione si raggiungono localmente temperature molto elevate (circa 5.000K) e pressioni molto alte (circa 2.000atm). L’implosione della bolla di cavitazione produce inoltre getti di liquido con velocità fino a 280m/s. Questi getti di liquido, generati dalla cavitazione ultrasonica, superano le forze di legame tra i nanotubi di carbonio, provocandone così la deagglomerazione. Un trattamento a ultrasuoni delicato e controllato è un metodo appropriato per creare sospensioni stabilizzate con tensioattivi di SWCNT dispersi di elevata lunghezza. Per la produzione controllata di SWCNT, i processori a ultrasuoni Hielscher consentono di operare con un’ampia gamma di combinazioni di parametri ultrasonici. L’ampiezza ultrasonica, la pressione del liquido e la composizione del liquido possono essere variate in funzione del materiale e del processo specifici. Ciò offre diverse possibilità di regolazione, quali

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

 

Inoltre, la sonicazione, utilizzata come metodo di purificazione assistita da polimeri, consente di rimuovere efficacemente le impurità dagli SWCNT così come ottenuti dalla crescita. È difficile studiare la modificazione chimica degli SWCNT a livello molecolare, poiché è difficile ottenere SWNT puri. Gli SWCNT così come ottenuti dalla crescita contengono numerose impurità, quali particelle metalliche e carbonio amorfo. La sonicazione degli SWCNT in una soluzione di poli(metilmetacrilato) PMMA in monoclorobenzene (MCB), seguita da filtrazione, è un metodo efficace per purificare gli SWCNT. Questo metodo di purificazione assistita da polimeri consente di rimuovere efficacemente le impurità dagli SWCNT così come ottenuti dalla crescita. Il controllo preciso dell’ampiezza della sonicazione consente di evitare o limitare il danneggiamento degli SWCNT.

Apparecchiature a ultrasuoni

Hielscher offre processori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la sonicazione di qualsiasi volume. I dispositivi a ultrasuoni da 50 watt fino a 16.000 watt, che possono essere configurati in gruppi, consentono di individuare l’apparecchiatura a ultrasuoni adatta a ogni applicazione, sia in laboratorio sia nell’industria. Per una dispersione accurata dei nanotubi, si raccomanda una sonicazione continua. Utilizzando le celle di flusso Hielscher, è possibile disperdere i CNT in liquidi ad alta viscosità, quali polimeri, materiali fusi ad alta viscosità e termoplastici.

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