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 – 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., Ltd. È necessario un processo semplice, affidabile e scalabile per il deagglomerato, al fine di utilizzare i nanotubi al loro massimo potenziale. Per liquidi fino a 100.000cP gli ultrasuoni sono una tecnologia molto efficace per la dispersione dei nanotubi in acqua, olio o polimeri a basse o alte concentrazioni. I flussi di getti liquidi 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 utilizzando 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 SWNTs di alta lunghezza

Un problema importante per la lavorazione e la manipolazione di SWNT è l'insolubilità intrinseca dei tubi nei comuni solventi organici e nell'acqua. Funzionalizzazione della parete laterale nanotubo o estremità aperte per creare un'interfaccia appropriata tra il SWNTs e il solvente portano per lo più a esfoliazione parziale delle corde SWNT, solo.
Di conseguenza, gli SWNT sono tipicamente dispersi come fasci piuttosto che come singoli oggetti completamente isolati. Quando si utilizzano condizioni troppo severe durante la dispersione, gli SWNT vengono accorciati a lunghezze comprese tra 80 e 200 nm. Anche se questo è utile per alcuni test, questa lunghezza è troppo piccola per la maggior parte delle applicazioni pratiche, come i semiconduttori o gli SWNT di rinforzo. Trattamento a ultrasuoni controllato e delicato (ad esempio mediante UP200Ht con sonotrodo da 40mm) è una procedura efficace per preparare dispersioni acquose di SWNTs individuali lunghe. Le sequenze di ultrasuoni lievi 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 modificazione chimica degli SWNT a livello molecolare, perché è difficile ottenere SWNT puri. Le SWNT coltivate contengono molte impurità, come particelle metalliche e carboni amorfi. L'ultrasonicazione degli SWNT in una soluzione monoclorobenzene (MCB) di PMMA poli(metacrilato di metile) seguita da filtrazione è un modo efficace per purificare gli SWNT. Questo metodo di purificazione assistito da polimeri permette di rimuovere efficacemente le impurità dalle SWNT coltivate. (Yudasaka et al.) L'accurato controllo dell'ampiezza dell'ultrasuoni permette di limitare i danni agli SWNT.

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

• Dispositivi da 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 ad 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.