CNT dispersi uniformemente mediante ultrasuoni

Per sfruttare le eccezionali funzionalità dei nanotubi di carbonio (CNT), è necessario disperderli in modo omogeneo.
I dispersori a ultrasuoni sono lo strumento più comune per distribuire i CNT in sospensioni acquose e a base di solventi.
La tecnologia di dispersione a ultrasuoni genera un’energia di taglio sufficientemente elevata da ottenere una separazione completa dei CNT senza danneggiarli.

Dispersione a ultrasuoni dei nanotubi di carbonio

I nanotubi di carbonio (CNT) hanno un rapporto lunghezza/diametro molto elevato e presentano una bassa densità e un’enorme superficie specifica (diverse centinaia di m2/g), che conferiscono loro proprietà uniche, quali resistenza alla trazione, rigidità e tenacità molto elevate e una conducibilità elettrica e termica molto elevata. A causa delle forze di Van der Waals, che attraggono reciprocamente i singoli nanotubi di carbonio (CNT), i CNT si dispongono normalmente in fasci o matasse. Queste forze di attrazione intermolecolari si basano su un fenomeno di impilamento dei legami π tra nanotubi adiacenti, noto come π-stacking. Per sfruttare appieno i vantaggi dei nanotubi di carbonio, questi agglomerati devono essere districati e i CNT devono essere distribuiti uniformemente in una dispersione omogenea. Un’intensa sonicazione genera cavitazione acustica nei liquidi. Le sollecitazioni di taglio locali così generate rompono gli aggregati di CNT e li disperdono uniformemente in una sospensione omogenea. La tecnologia di dispersione a ultrasuoni genera un’energia di taglio sufficientemente elevata da ottenere una separazione completa dei CNT senza danneggiarli. La sonicazione viene applicata con successo anche ai sensibili SWNT per districarli singolarmente. La sonicazione fornisce un livello di sollecitazione appena sufficiente a separare gli aggregati di SWNT senza causare molte fratture nei singoli nanotubi (Huang, Terentjev 2012).

Vantaggi della dispersione a ultrasuoni dei CNT

CNT dispersi singolarmente
Distribuzione omogenea
Elevata efficienza di dispersione
Elevati contenuti di CNT
Nessuna degradazione dei CNT
Trattamento rapido
Controllo preciso del processo

I nanofluidi sintetizzati mediante ultrasuoni sono fluidi refrigeranti e liquidi per scambiatori di calore efficienti. I nanomateriali termoconduttivi aumentano significativamente il trasferimento di calore e la capacità di dissipazione termica. La sonicazione è una tecnica consolidata per la sintesi e la funzionalizzazione di nanoparticelle termoconduttive, nonché per la produzione di nanofluidi stabili ad alte prestazioni per applicazioni di raffreddamento.

Sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni per dispersioni di CNT

Hielscher Ultrasonics fornisce apparecchiature a ultrasuoni potenti e affidabili per la dispersione efficiente dei CNT. Che dobbiate preparare piccoli campioni di CNT per analisi e ricerca e sviluppo oppure produrre grandi lotti industriali di dispersioni in grandi quantità, la gamma di prodotti Hielscher offre il sistema a ultrasuoni ideale per le vostre esigenze. Dai sonicatori da 50W per il laboratorio fino alle unità a ultrasuoni industriali da 16kW per la produzione commerciale, Hielscher Ultrasonics soddisfa le vostre esigenze.
Per produrre dispersioni di nanotubi di carbonio di alta qualità, i parametri di processo devono essere ben controllati. Ampiezza, temperatura, pressione e tempo di permanenza sono i parametri più critici per una distribuzione uniforme dei CNT. I sonicatori Hielscher non solo consentono un controllo preciso di ciascun parametro, ma registrano automaticamente tutti i parametri di processo sulla scheda SD integrata nei sistemi a ultrasuoni digitali Hielscher. La registrazione di ogni processo di sonicazione contribuisce a garantire risultati riproducibili e una qualità costante. Grazie al controllo remoto tramite browser, l’utente può azionare e monitorare il dispositivo a ultrasuoni senza trovarsi nel luogo in cui è installato il sistema.
Poiché i nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT) e a pareti multiple (MWNT), così come il mezzo acquoso o il solvente selezionato, richiedono intensità di trattamento specifiche, l’ampiezza ultrasonica è un fattore chiave per il prodotto finale. I processori a ultrasuoni industriali Hielscher Ultrasonics possono erogare ampiezze sia molto elevate sia molto basse. Definite l’ampiezza ideale per le esigenze del vostro processo. Anche ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente mantenute in funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 con carichi di lavoro gravosi e in ambienti impegnativi.
I nostri clienti sono soddisfatti dell’eccezionale robustezza e affidabilità dei sistemi Hielscher Ultrasonics. L’installazione in applicazioni gravose, in ambienti impegnativi e il funzionamento 24/7 garantiscono un trattamento efficiente ed economico. L’intensificazione dei processi mediante ultrasuoni riduce i tempi di trattamento e permette di ottenere risultati migliori, ossia qualità superiore, rese maggiori e prodotti innovativi.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Volume del lotto	Portata	Dispositivi consigliati
Da 0,5 a 1,5mL	n.a.	VialTweeter
Da 1 a 500mL	Da 10 a 200mL/min	UP100H
Da 10 a 2000mL	Da 20 a 400mL/min	UP200Ht, UP400St
Da 0,1 a 20L	Da 0,2 a 4L/min	UIP2000hdT
Da 10 a 100L	Da 2 a 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	Da 10 a 100L/min	UIP16000
n.a.	superiore	gruppo di UIP16000

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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.

Argomenti correlati

Bibliografia / Riferimenti

SOP – Ultrasonic Dispersion of Multi-Walled Carbon-Nanotubes using the UP400ST Sonicator – Hielscher Ultrasonics
Biver T.; Criscitiello F.; Di Francesco F.; Minichino M.; Swager T.; Pucci A. (2015): MWCNT/Perylene bisimide Water Dispersions for Miniaturized Temperature Sensors. RSC Advances 5: 2015. 65023–65029.
Chiou K.; Byun S.; Kim J.; Huang J. (2018): Additive-free carbon nanotube dispersions, pastes, gels, and doughs in cresols. PNAS Vol. 115, No. 22, 2018. 5703–5708.
Huang, Y.Y:; Terentjev E.M. (2012): Dispersion of Carbon Nanotubes: Mixing, Sonication, Stabilization, and Composite Properties. Polymers 2012, 4, 275-295.
Krause B.; Mende M.; Petzold G.; Pötschke P. (2010): Characterization on carbon nanotubes’ dispersability using centrifugal sedimentation analysis in aqueous surfactant dispersions. Conference paper ANTEC 2010, Orlando, USA, May 16-20 2010.
Paredes J.I.; Burghard M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length. Langmuir 2004, 20, 5149-5152.
Santos A.; Amorim L.; Nunes J.P.; Rocha L.A.; Ferreira Silva A.; Viana J.C. (2019): A Comparative Study between Knocked-Down Aligned Carbon Nanotubes and Buckypaper-Based Strain Sensors. Materials 2019, 12, 2013.
Szelag M. (2017): Mechano-Physical Properties and Microstructure of Carbon Nanotube Reinforced Cement Paste after Thermal Load. Nanomaterials 7(9), 2017. 267.

Informazioni utili

Che cosa sono i nanotubi di carbonio

I nanotubi di carbonio (CNT) appartengono a una classe speciale di materiali di carbonio unidimensionali, che presentano proprietà meccaniche, elettriche, termiche e ottiche eccezionali. Sono un componente fondamentale utilizzato nello sviluppo e nella produzione di nanomateriali avanzati, quali nanocompositi, polimeri rinforzati ecc., e vengono pertanto impiegati nelle tecnologie più avanzate. I CNT presentano una resistenza alla trazione molto elevata, proprietà superiori di trasferimento termico, bande proibite ridotte e un’ottima stabilità chimica e fisica, che rendono i nanotubi un additivo promettente per numerosi materiali.
In base alla loro struttura, i CNTS si distinguono in nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT), nanotubi di carbonio a doppia parete (DWCNT) e nanotubi di carbonio a pareti multiple (MWNT).
Gli SWNT sono tubi cilindrici lunghi e cavi, costituiti da una parete di carbonio dello spessore di un atomo. Il foglio atomico di carbonio è disposto in un reticolo a nido d’ape. Spesso vengono concettualmente paragonati a fogli arrotolati di grafite monostrato o grafene.
I DWCNT sono costituiti da due nanotubi a parete singola, uno inserito all’interno dell’altro.
I MWNT sono una forma di CNT in cui più nanotubi di carbonio a parete singola sono inseriti l’uno all’interno dell’altro. Poiché il loro diametro varia tra 3–30 nm e possono raggiungere una lunghezza di diversi cm, il loro rapporto lunghezza/diametro può variare tra 10 e dieci milioni. Rispetto alle nanofibre di carbonio, i MWNT hanno una struttura della parete diversa, un diametro esterno più piccolo e un interno cavo. Tra i tipi di MWNT disponibili sul mercato per uso industriale e comunemente utilizzati figurano, ad esempio, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 e FutureCarbon CNT-MW.
Sintesi dei CNT: I CNT possono essere prodotti mediante un metodo di sintesi basato sul plasma o un metodo di evaporazione mediante scarica ad arco, un metodo di ablazione laser, un processo di sintesi termica, deposizione chimica da vapore (CVD) o deposizione chimica da vapore assistita da plasma.
Funzionalizzazione dei CNT: Per migliorare le caratteristiche dei nanotubi di carbonio e renderli quindi più adatti a un’applicazione specifica, i CNT vengono spesso funzionalizzati, ad esempio mediante l’aggiunta di gruppi carbossilici (-COOH) o ossidrilici (-OH).

Additivi per la dispersione dei CNT

Alcuni solventi, quali superacidi, liquidi ionici e N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, consentono di preparare dispersioni di CNT a concentrazioni relativamente elevate, mentre i solventi più comuni per i nanotubi, quali N-metil-2-pirrolidone (NMP), dimetilformammide (DMF) e 1,2-dichrolobenzene, possono disperdere i nanotubi solo a concentrazioni molto basse (ad esempio, tipicamente <0,02 wt% di CNT a parete singola). Gli agenti disperdenti più comuni sono polivinilpirrolidone (PVP), dodecilbenzensolfonato di sodio (SDBS), Triton 100 o dodecilsolfonato di sodio (SDS).
I cresoli sono un gruppo di sostanze chimiche industriali che consentono di trattare i CNT a concentrazioni fino a decine di punti percentuali in peso, determinando, all’aumentare del contenuto di CNT, una transizione continua da dispersioni diluite, paste dense e gel autoportanti a uno stato senza precedenti simile alla pasta da modellare. Questi stati presentano proprietà reologiche e viscoelastiche simili a quelle dei polimeri, che non sono ottenibili con altri solventi comuni, suggerendo che i nanotubi siano effettivamente disaggregati e finemente dispersi nei cresoli. I cresoli possono essere rimossi dopo il trattamento mediante riscaldamento o lavaggio, senza alterare la superficie dei CNT. [Chiou et al. 2018]

Applicazioni delle dispersioni di CNT

Per sfruttare i vantaggi dei CNT, è necessario disperderli in un liquido, come i polimeri. I CNT dispersi uniformemente vengono utilizzati per la produzione di plastiche conduttive, display a cristalli liquidi, diodi organici a emissione di luce, schermi tattili, display flessibili, celle solari, inchiostri conduttivi, materiali per il controllo dell’elettricità statica, tra cui film, schiume, fibre e tessuti, rivestimenti e adesivi polimerici, compositi polimerici ad alte prestazioni con resistenza meccanica e tenacità eccezionali, fibre composite polimero/CNT, nonché materiali leggeri e antistatici.

Quali sono le forme del carbonio?
Il carbonio esiste in diversi allotropi, tra cui:

Forme cristalline: diamante, grafite, grafene, nanotubi di carbonio (CNT), fullereni (ad esempio, C₆₀).
Forme amorfe: carbone vegetale, fuliggine, nerofumo, carbonio vetroso, carbonio simile al diamante (DLC), carbonio amorfo monostrato (MAC).
Nanostrutture ibride: nanodiamanti, nano-cipolle di carbonio, aerogel di carbonio e compositi come gli ibridi nanocarbonio-metallo.

Ogni forma presenta proprietà fisico-chimiche distinte, rilevanti per le applicazioni nella scienza dei materiali, nell’elettronica e nell’accumulo di energia.