Dispersione a ultrasuoni di nanotubi di carbonio (CNT)

I nanotubi di carbonio sono resistenti e flessibili, ma presentano una forte coesione. Sono difficili da disperdere in liquidi quali acqua, etanolo, olio, polimeri o resine epossidiche. Gli ultrasuoni sono un metodo efficace per ottenere nanotubi di carbonio separati – dispersi singolarmente.

I nanotubi di carbonio (CNT) vengono utilizzati in adesivi, rivestimenti e polimeri e come cariche elettricamente conduttive nelle materie plastiche per dissipare le cariche statiche nelle apparecchiature elettriche e nei pannelli delle carrozzerie automobilistiche verniciabili elettrostaticamente. L’impiego di nanotubi può rendere i polimeri 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 quali SES Research o CNT Co., Ltd. Per sfruttare appieno il potenziale dei nanotubi è necessario un processo di deagglomerazione semplice, affidabile e scalabile. Per liquidi con viscosità fino a 100.000cP, gli ultrasuoni sono una tecnologia molto efficace per disperdere nanotubi in acqua, olio o polimeri a basse o alte concentrazioni. I getti di liquido prodotti dalla cavitazione ultrasonica superano le forze di legame tra i nanotubi e li separano. Grazie alle forze di taglio e alle microturbolenze generate dagli ultrasuoni, questi possono anche favorire il rivestimento superficiale e la reazione chimica dei nanotubi con altri materiali.

Generalmente, una dispersione grossolana di nanotubi viene prima premiscelata con un agitatore standard e poi omogeneizzata nel reattore a ultrasuoni con cella di flusso. Il video seguente mostra una prova di laboratorio (sonicazione in batch mediante un UP400S) in cui nanotubi di carbonio a parete multipla vengono dispersi in acqua a bassa concentrazione. A causa della natura chimica del carbonio, la dispersione dei nanotubi in acqua è piuttosto difficile. Come mostrato nel video, è facile dimostrare che la sonicazione è in grado di disperdere efficacemente i nanotubi.

Dispersione a ultrasuoni di nanotubi di carbonio: il sonicatore Hielscher UP400S (400W) disperde e districa i CNT in modo rapido ed efficiente, separandoli in singoli nanotubi.

Dispersione di singoli SWNT di elevata lunghezza

Un problema rilevante nella lavorazione e nella manipolazione degli SWNT è la loro intrinseca insolubilità nei comuni solventi organici e nell’acqua. La funzionalizzazione della parete laterale o delle estremità aperte dei nanotubi, volta a creare un’interfaccia adeguata tra gli SWNT e il solvente, porta perlopiù soltanto a un’esfoliazione parziale dei fasci di SWNT.
Di conseguenza, gli SWNT vengono generalmente dispersi sotto forma di fasci anziché come elementi singoli completamente isolati. Se durante la dispersione si impiegano condizioni troppo severe, gli SWNT si accorciano fino a lunghezze comprese tra 80 e 200nm. Sebbene ciò sia utile per alcune prove, questa lunghezza è troppo ridotta per la maggior parte delle applicazioni pratiche, ad esempio l’impiego degli SWNT come semiconduttori o rinforzi. Un trattamento a ultrasuoni controllato e delicato (ad esempio mediante UP200Ht con sonotrodo da 40mm) è una procedura efficace per preparare dispersioni acquose di singoli SWNT lunghi. Sequenze di sonicazione delicata riducono al minimo l’accorciamento e consentono di preservare al massimo le proprietà strutturali ed elettroniche.

Purificazione degli SWNT mediante sonicazione assistita da polimeri

È difficile studiare la modifica chimica degli SWNT a livello molecolare, perché è difficile ottenere SWNT puri. Gli SWNT così come ottenuti dalla crescita contengono numerose impurità, quali particelle metalliche e carbonio amorfo. La sonicazione degli SWNT in una soluzione di poli(metilmetacrilato) PMMA in monoclorobenzene (MCB), seguita da filtrazione, è un metodo efficace per purificare gli SWNT. Questo metodo di purificazione assistita da polimeri consente di rimuovere efficacemente le impurità dagli SWNT così come ottenuti dalla crescita. (Yudasaka et al.) Un controllo accurato dell’ampiezza della sonicazione consente di limitare i danni agli SWNT.

Hielscher offre una vasta gamma di dispositivi a ultrasuoni e accessori per la dispersione efficiente dei nanotubi.

• Dispositivi compatti da laboratorio con una potenza ultrasonica fino a 400 watt per la dispersione in volumi ridotti fino a 2 litri
• UIP500hdT, UIP1000hdT e UIP1500hdT sono processori a ultrasuoni in grado di trattare volumi maggiori.
• I sistemi a ultrasuoni da 2kW (UIP2000hdT) e 4kW (UIP4000hdT) possono essere utilizzati per la dispersione di nanotubi di carbonio su scala produttiva. Il UIP10000 (10 kilowatt) e il UIP16000 (16 kilowatt) possono essere utilizzati in gruppi di più unità singole per la lavorazione dei nanotubi di carbonio su larga scala.”

Bibliografia

• 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.