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).

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Dispersore industriale a ultrasuoni per la distribuzione uniforme di CNT in acqua o solventi.

Omogeneizzatore industriale a ultrasuoni UIP1500hdT per la dispersione di nanotubi di carbonio (CNT) e altri nanomateriali.

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono efficienti e affidabili per la dispersione di nanotubi di carbonio in acqua o solventi organici.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.

L'ultrasonicazione è una procedura efficace e dai risultati ripetibili per districare i nanotubi di carbonio in acqua o in solventi organici.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 ad ultrasuoni di nanotubi di carbonio: L'ecografo Hielscher UP400S (400W) disperde e distrugge i CNT in modo rapido ed efficiente in singoli nanotubi.

Dispersione di nanotubi di carbonio in acqua con l'UP400S

La dispersione a ultrasuoni è altamente efficiente nel disperdere i nanofiller nei polimeri e nelle resine epossidiche.

Confronto tra diversi nanofiller dispersi nell'indurente utilizzando ultrasuoni di tipo sonda): (a) 0,5 wt% di nanofibre di carbonio (CNF); (b) 0,5 wt% di CNToxid; (c) 0,5 wt% di nanotubi di carbonio (CNT); (d) 0,5 wt% di CNT semi-disperso.
Studio e immagine: ©Zanghellini et al., 2021

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

Un modo semplice per far reagire chimicamente i nanotubi di carbonio a parete singola con materiali organici utilizzando gli ultrasuoni. Koshio et al., 2001È 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.

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