Gli Ultrasuoni per la Dispersione di Nanotubi di Carbonio

I nanotubi di carbonio sono forti e flessibili ma molto coesi. Sono difficili da disperdere nei liquidi, come acqua, etanolo, olio, polimeri o resina epossidica. Gli ultrasuoni sono un metodo efficace per ottenere una dispersione discreta. – singolo-dispersi – nanotubi di carbonio.

I nanotubi di carbonio (CNT) sono utilizzati in adesivi, rivestimenti e polimeri e come riempitivi elettricamente conduttivi nelle materie plastiche per dissipare le cariche statiche nelle apparecchiature elettriche e nei pannelli della carrozzeria delle automobili verniciabili elettrostaticamente. Grazie all'uso dei nanotubi, i polimeri possono essere resi più resistenti alle temperature, alle sostanze chimiche aggressive, agli ambienti corrosivi, alle pressioni estreme e all'abrasione. Esistono due categorie di nanotubi di carbonio: Nanotubi a parete singola (SWNT) e nanotubi a parete multipla (MWNT).

I nanotubi di carbonio sono generalmente disponibili come materiale secco, ad esempio presso aziende come Ricerca di SES o CNT Co. È necessario un processo semplice, affidabile e scalabile per la deagglomerazione, al fine di utilizzare i nanotubi al massimo del loro potenziale. Per i liquidi fino a 100.000cP gli ultrasuoni sono una tecnologia molto efficace per disperdere i nanotubi in acqua, olio o polimeri a basse o alte concentrazioni. I getti di liquido risultanti da Cavitazione ad ultrasuoni, si generano forze di taglio in grado di rompere il legame tra i nanotubi e separare i tubi.

In genere, una dispersione grossolana di nanotubi viene prima premiscelata con un agitatore standard e poi omogeneizzata nel reattore a celle di flusso a ultrasuoni. Il video qui sotto mostra una prova di laboratorio (sonicazione in batch usando un UP400S) che disperde i nanotubi di carbonio a parete multipla in acqua a bassa concentrazione. A causa della natura chimica del carbonio, il comportamento di dispersione dei nanotubi in acqua è piuttosto difficile. Come mostrato nel video, si può facilmente dimostrare che gli ultrasuoni sono in grado di disperdere efficacemente i nanotubi.

Dispersione di singoli SWNT di lunghezza elevata

Un problema importante per la lavorazione e la manipolazione degli SWNT è l'insolubilità intrinseca dei tubi nei comuni solventi organici e nell'acqua. La funzionalizzazione della parete laterale del nanotubo o delle estremità aperte per creare un'interfaccia appropriata tra gli SWNT e il solvente porta per lo più a un'esfoliazione parziale delle corde di SWNT.
Di conseguenza, le SWNT sono tipicamente disperse come fasci piuttosto che come singoli oggetti completamente isolati. Se durante la dispersione vengono impiegate condizioni troppo severe, le SWNT si accorciano a lunghezze comprese tra 80 e 200 nm. Sebbene ciò sia utile per alcuni test, questa lunghezza è troppo piccola per la maggior parte delle applicazioni pratiche, come la semiconduzione o il rinforzo delle SWNT. Un trattamento controllato e delicato con ultrasuoni (ad esempio, mediante UP200Ht con sonotrodo da 40 mm) è una procedura efficace per preparare dispersioni acquose di singoli SWNT lunghi. Sequenze di ultrasuoni leggeri riducono al minimo l'accorciamento e consentono di preservare al massimo le proprietà strutturali ed elettroniche.

Purificazione di SWNT mediante ultrasonicazione assistita da polimeri

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

Hielscher ampia gamma di dispositivi a ultrasuoni e accessori per la dispersione efficiente dei nanotubi.

• Dispositivi di laboratorio compatti fino a 400 watt di potenza ad ultrasuoni per la dispersione in piccoli volumi fino a 2 litri
• UIP500hdT, UIP1000hdT e UIP1500hdT sono processori a ultrasuoni in grado di trattare volumi maggiori.
• Sistemi a ultrasuoni di 2kW (UIP2000hdT) e 4kW (UIP4000hdT) può essere utilizzato per la dispersione su scala produttiva di nanotubi di carbonio. UIP10000 (10 kilowatt) e il UIP16000 (16 kilowatt) possono essere utilizzati in cluster di diverse unità singole per il trattamento su larga scala dei nanotubi di carbonio.”

Letteratura

• Koshio, A., Yudasaka, M., Zhang, M., Iijima, S. (2001): A Simple Way to Chemically React Single-Wall Crabon Nanotubes with Organic Materials Using Ultrasonication; in Nano Letters, Vol. 1, No. 7, 2001, p. 361-363.
• Yudasaka, M., Zhang, M., Jabs, C. et al. (2000): Effect of an organic polymer in purification and cutting of single-wall carbon nanotubes. Appl Phys A 71, 449–451 (2000).
• Paredes, J. I., Burghard, M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length, in: Langmuir, Vol. 20, No. 12, 2004, 5149-5152, American Chemical Society.