Dispersione uniforme di CNT mediante ultrasuoni
Per sfruttare le eccezionali funzionalità dei nanotubi di carbonio (CNT), questi devono essere dispersi in modo omogeneo.
I dispersori a ultrasuoni sono lo strumento più comune per distribuire le CNT in sospensioni acquose e a base di solventi.
La tecnologia di dispersione a ultrasuoni crea un'energia di taglio sufficientemente elevata per ottenere una separazione completa delle CNT senza danneggiarle.
Dispersione a ultrasuoni di nanotubi di carbonio
I nanotubi di carbonio (CNT) hanno un rapporto d'aspetto molto elevato e presentano una bassa densità e un'enorme superficie (diverse centinaia di m2/g), che conferisce loro proprietà uniche come un'altissima resistenza alla trazione, rigidità e tenacità e un'altissima conducibilità elettrica e termica. Grazie alle forze di Van der Waals, che attraggono i singoli nanotubi di carbonio (CNT) l'uno all'altro, i CNT si dispongono normalmente in fasci o matasse. Queste forze di attrazione intermolecolari si basano su un fenomeno di impilamento di legami π tra nanotubi adiacenti, noto come π-stacking. Per trarre il massimo beneficio dai nanotubi di carbonio, questi agglomerati devono essere sciolti e i CNT devono essere distribuiti uniformemente in una dispersione omogenea. Gli ultrasuoni intensi creano cavitazione acustica nei liquidi. Lo sforzo di taglio locale così generato rompe gli aggregati di CNT e li disperde uniformemente in una sospensione omogenea. La tecnologia di dispersione a ultrasuoni crea un'energia di taglio sufficientemente elevata per ottenere una separazione completa delle CNT senza danneggiarle. Anche per i sensibili SWNT la sonicazione viene applicata con successo per disgiungerli singolarmente. Gli ultrasuoni forniscono un livello di stress sufficiente a separare gli aggregati di SWNT senza causare fratture ai singoli nanotubi (Huang, Terentjev 2012).
- CNT dispersi singolarmente
- Distribuzione omogenea
- Alta efficienza di dispersione
- Elevato carico di CNT
- Nessuna degradazione dei CNT
- Elaborazione rapida
- Controllo preciso del processo
UIP2000hdT – Potente ultrasuonatore da 2kW per dispersioni di CNT
Sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni per le dispersioni di CNT
Hielscher Ultrasonics fornisce apparecchiature a ultrasuoni potenti e affidabili per la dispersione efficiente dei CNT. Sia che dobbiate preparare piccoli campioni di CNT per analisi e R&D o dovete produrre grandi lotti industriali di dispersioni sfuse, la gamma di prodotti Hielscher offre il sistema a ultrasuoni ideale per le vostre esigenze. Da Ultrasuonatori da 50W per laboratorio fino a Unità industriali a ultrasuoni da 16 kW per la produzione commerciale, Hielscher Ultrasonics vi copre.
Per produrre dispersioni di nanotubi di carbonio di alta qualità, i parametri del processo devono essere ben controllati. Ampiezza, temperatura, pressione e tempo di ritenzione sono i parametri più critici per una distribuzione uniforme dei CNT. Gli ultrasuonatori Hielscher non solo consentono un controllo preciso di ogni parametro, ma tutti i parametri di processo vengono automaticamente registrati sulla scheda SD integrata dei sistemi digitali a ultrasuoni Hielscher. Il protocollo di ogni processo di sonicazione contribuisce a garantire risultati riproducibili e una qualità costante. Grazie al controllo remoto via browser, l'utente può azionare e monitorare il dispositivo a ultrasuoni senza trovarsi sul luogo del sistema a ultrasuoni.
Poiché i nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT) e i nanotubi di carbonio a parete multipla (MWNT), così come il mezzo acquoso o solvente selezionato, richiedono intensità di lavorazione specifiche, l'ampiezza degli ultrasuoni è un fattore chiave per il prodotto finale. Hielscher Ultrasonics’ I processori industriali a ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate o molto ridotte. Stabilite l'ampiezza ideale per i vostri requisiti di processo. Anche ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher consente di operare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.
I nostri clienti sono soddisfatti dell'eccezionale robustezza e affidabilità dei sistemi Hielscher Ultrasonic. L'installazione in campi di applicazioni gravose, in ambienti difficili e il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, garantiscono una lavorazione efficiente ed economica. L'intensificazione del processo a ultrasuoni riduce i tempi di lavorazione e consente di ottenere risultati migliori, vale a dire una qualità superiore, rese più elevate e prodotti innovativi.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 0,5-1,5 mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Letteratura / 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.
Particolarità / Cose da sapere
Cosa sono i nanotubi di carbonio
I nanotubi di carbonio (CNT) fanno parte di una speciale classe di materiali di carbonio unidimensionali, che presentano eccezionali proprietà meccaniche, elettriche, termiche e ottiche. Sono uno dei principali componenti utilizzati nello sviluppo e nella produzione di nanomateriali avanzati come nano-compositi, polimeri rinforzati ecc. e sono quindi utilizzati nelle tecnologie più avanzate. I CNT presentano un'elevatissima resistenza alla trazione, proprietà di trasferimento termico superiori, bassi gap di banda e un'ottima stabilità chimica e fisica, che rendono i nanotubi un promettente additivo per molteplici materiali.
In base alla loro struttura, i CNTS si distinguono in nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT), nanotubi di carbonio a parete doppia (DWCNT) e nanotubi di carbonio a parete multipla (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 di grafene.
I DWCNT sono costituiti da due nanotubi a parete singola, uno annidato nell'altro.
I MWNT sono una forma di CNT in cui più nanotubi di carbonio a parete singola sono annidati l'uno dentro l'altro. Poiché il loro diametro varia tra i 3 e i 30 nm e possono crescere fino a diversi cm di lunghezza, il loro rapporto d'aspetto può variare tra i 10 e i 10 milioni. Rispetto alle nanofibre di carbonio, i MWNT hanno una struttura di parete diversa, un diametro esterno più piccolo e un interno cavo. I tipi di MWNT comunemente utilizzati a livello industriale sono, ad esempio, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 e FutureCarbon CNT-MW.
Sintesi dei CNT: I CNT possono essere prodotti con il metodo di sintesi al plasma o con il metodo di evaporazione a scarica d'arco, con il metodo di ablazione laser, con il processo di sintesi termica, con la deposizione di vapore chimico (CVD) o con la deposizione di vapore chimico potenziata al 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 aggiungendo gruppi acido carbossilico (-COOH) o idrossile (-OH).
Additivi disperdenti per CNT
Alcuni solventi come i superacidi, i liquidi ionici e l'N-cicloesil-2-pirrolidnone sono in grado di preparare dispersioni di CNT a concentrazioni relativamente elevate, mentre i solventi più comuni per i nanotubi, come l'N-metil-2-pirrolidone (NMP), la dimetilformammide (DMF) e l'1,2-diclorobenzene, possono disperdere i nanotubi solo a concentrazioni molto basse (ad esempio, tipicamente <0.02 wt% di CNT a parete singola). Gli agenti di dispersione più comuni sono il polivinilpirrolidone (PVP), il sodio dodecilbenzene solfonato (SDBS), il Triton 100 o il sodio dodecilsolfonato (SDS).
I cresoli sono un gruppo di prodotti chimici industriali in grado di trattare i CNT a concentrazioni fino a decine di pesi per cento, con una transizione continua da dispersioni diluite, paste dense e gel indipendenti a uno stato simile a quello della pasta da gioco, con l'aumento del carico di CNT. Questi stati presentano proprietà reologiche e viscoelastiche simili a quelle dei polimeri, non raggiungibili con altri solventi comuni, suggerendo che i nanotubi sono effettivamente disaggregati e finemente dispersi nel cresolo. I cresoli possono essere rimossi dopo la lavorazione mediante riscaldamento o lavaggio, senza alterare la superficie dei CNT. [Chiou et al. 2018]
Applicazioni delle dispersioni di CNT
Per sfruttare i vantaggi delle CNT, queste devono essere disperse in un liquido come i polimeri. Le CNT disperse in modo uniforme sono utilizzate per la produzione di plastiche conduttive, schermi a cristalli liquidi, diodi organici a emissione di luce, touch screen, display flessibili, celle solari, inchiostri conduttivi, materiali per il controllo statico, tra cui film, schiume, fibre e tessuti, rivestimenti e adesivi polimerici, compositi polimerici ad alte prestazioni con eccezionale resistenza meccanica e tenacità, 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, fuliggine, nerofumo, carbonio vetroso, carbonio diamantato (DLC), carbonio amorfo monostrato (MAC).
- Nanostrutture ibride: Nanodiamanti, cipolle di carbonio, aerogel di carbonio e compositi come ibridi nanocarbonio-metallo.
Ciascuna forma presenta proprietà fisico-chimiche distinte, utili per applicazioni nella scienza dei materiali, nell'elettronica e nell'accumulo di energia.