Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

CNT uniformemente dispersi per ultrasonicazione

Per sfruttare le eccezionali funzionalità dei nanotubi di carbonio (CNT), essi devono essere dispersi in modo omogeneo.
I disperditori a ultrasuoni sono lo strumento più comune per distribuire i CNT in sospensioni acquose e a base di solventi.
La tecnologia di dispersione ad ultrasuoni crea un'energia di taglio sufficientemente elevata per ottenere una separazione completa delle CNT senza danneggiarle.

Dispersione ultrasonica dei nanotubi di carbonio

Potente sonicazione con un ultrasuoni a sonda. (Clicca per ingrandire!)I nanotubi di carbonio (CNT) hanno un rapporto di aspetto molto elevato e mostrano 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 durezza e una conducibilità elettrica e termica molto elevata. A causa delle forze di Van der Waals, che attraggono i singoli nanotubi di carbonio (CNT) l'uno verso l'altro, i CNT si dispongono normalmente in fasci o matasse. Queste forze di attrazione intermolecolari si basano su un fenomeno di accatastamento con legami π tra nanotubi adiacenti noto come π-stacking. Per trarre il massimo beneficio dai nanotubi di carbonio, questi agglomerati devono essere scomposti e i CNT devono essere distribuiti in modo uniforme in una dispersione omogenea. L'ultrasonicazione intensa crea una cavitazione acustica nei liquidi. La sollecitazione di taglio locale così generata rompe gli aggregati CNT e li disperde uniformemente in una sospensione omogenea. La tecnologia di dispersione ad ultrasuoni crea un'energia di taglio sufficientemente elevata per ottenere una separazione completa dei CNT senza danneggiarli. Anche per i sensibili SWNTs sonicazione è applicata con successo per districarli individualmente. L'ecografia fornisce solo un livello di stress sufficiente a separare gli aggregati SWNT senza causare molte fratture ai singoli nanotubi (Huang, Terentjev 2012).

Vantaggi della dispersione CNT ad ultrasuoni CNT

  • CNT a dispersione singola
  • Distribuzione omogenea
  • Elevata efficienza di dispersione
  • Elevati carichi di CNT
  • Nessuna degradazione del CNT
  • elaborazione rapida
  • Controllo di processo preciso
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

UIP2000hdT - Ultrasuoni da 2kW per dispersioni di nanotubi di carbonio.

UIP2000hdT – 2kW potente ultrasuoni ad ultrasuoni per dispersioni CNT

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Sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni per dispersioni CNT

Hielscher Ultrasonics fornisce apparecchiature a ultrasuoni potenti e affidabili per la dispersione efficiente dei CNT. Se è necessario preparare piccoli campioni CNT per l'analisi e R&D o dovete produrre grandi lotti industriali di grandi quantità di dispersioni di massa, la gamma di prodotti Hielscher offre il sistema a ultrasuoni ideale per le vostre esigenze. Da ultrasuoni 50W per laboratorio fino a Unità ultrasoniche industriali da 16kW per la produzione commerciale, la Hielscher Ultrasonics ti ha coperto.
Per produrre dispersioni di nanotubi di carbonio di alta qualità, i parametri di processo devono essere ben controllati. Ampiezza, temperatura, pressione e tempo di ritenzione sono i parametri più critici per una distribuzione uniforme del CNT. Gli ultrasuoni Hielscher non solo consentono il controllo preciso di ogni parametro, ma tutti i parametri di processo vengono automaticamente registrati sulla scheda SD integrata dei sistemi digitali ad ultrasuoni Hielscher. Il protocollo di ogni processo di sonicazione aiuta a garantire risultati riproducibili e qualità costante. Tramite il controllo remoto del browser l'utente può operare e monitorare il dispositivo a ultrasuoni senza trovarsi sul luogo in cui si trova il sistema a ultrasuoni.
Poiché i nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT) e i nanotubi di carbonio a parete multipla (MWNT) e il mezzo acquoso o solvente selezionato richiedono intensità di lavorazione specifiche, l'ampiezza ultrasonica è un fattore chiave quando si tratta del prodotto finale. Ultrasuoni Hielscher’ I processori a ultrasuoni industriali possono fornire ampiezze molto elevate e molto moderate. Stabilire l'ampiezza ideale per le vostre esigenze di processo. Anche ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente gestite ininterrottamente 24 ore su 24, 7 giorni su 7 giorni all'anno. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi ad ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24/7 in ambienti gravosi e impegnativi.
I nostri clienti sono soddisfatti dell'eccezionale robustezza e affidabilità dei sistemi Hielscher Ultrasonic. L'installazione in campi di applicazioni gravose, ambienti esigenti e funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7 giorni su 7 garantisce una lavorazione efficiente ed economica. L'intensificazione del processo ad ultrasuoni riduce i tempi di lavorazione e consente di ottenere risultati migliori, ovvero una qualità superiore, rese più elevate, prodotti innovativi.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

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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Hielscher Ultrasonics produce ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni geochimiche.

Processori ad ultrasuoni ad alta potenza da laboratorio a scala pilota e industriale.

Letteratura/riferimenti

  • 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

nanotubi di carbonio

I nanotubi di carbonio (CNT) fanno parte di una speciale classe di materiali monodimensionali in carbonio, che presentano eccezionali proprietà meccaniche, elettriche, termiche e ottiche. Sono uno dei principali componenti utilizzati nello sviluppo e nella produzione di nanomateriali avanzati come i nanocompositi, i polimeri rinforzati, ecc. e sono quindi utilizzati nelle tecnologie più avanzate. I CNTs espongono una resistenza alla trazione molto elevata, proprietà superiori di trasferimento termico, lacune a bassa banda e stabilità chimica e fisica ottimale, il che rende i nanotubi un promettente additivo per materiali molteplici.
A seconda della 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 di un solo atomo di spessore. La lastra atomica dei carboni è disposta in un reticolo a nido d'ape. Spesso, sono concettualmente paragonati a fogli arrotolati di grafite o grafene a strato singolo.
I DWCNT sono costituiti da due nanotubi a parete singola, l'uno annidato all'interno dell'altro.
I MWNT sono una forma di CNT, dove più nanotubi di carbonio a parete singola sono annidati l'uno nell'altro. Poiché il loro diametro varia tra i 3-30 nm e poiché possono crescere per diversi cm di lunghezza, il loro rapporto d'aspetto può variare tra i 10 e i 10 milioni. Rispetto alle nanofibre di carbonio, le MWNT hanno una diversa struttura della parete, un diametro esterno più piccolo e un interno cavo. I tipi di MWNT comunemente utilizzati a livello industriale sono Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 e FutureCarbon CNT-MW.
Sintesi dei CNTs: Le CNT possono essere prodotte con il metodo di sintesi al plasma o con il metodo di evaporazione a scarica ad arco, il metodo di ablazione laser, il processo di sintesi termica, la deposizione di vapore chimico (CVD) o la deposizione di vapore chimico potenziato al plasma.
Funzionalizzazione dei CNT: Per migliorare le caratteristiche dei nanotubi di carbonio e renderli così più adatti ad una specifica applicazione, i CNT sono spesso funzionalizzati, ad esempio aggiungendo gruppi di acido carbossilico (-COOH) o idrossile (-OH).

Additivi disperdenti CNT

Alcuni solventi come i superacidi, liquidi ionici e N-cicloesil-2-pirrolidnone sono in grado di preparare dispersioni a concentrazione relativamente elevata di CNT, mentre i solventi più comuni per i nanotubi, come N-metil-2-pirrolidone (NMP), dimetilformammide (DMF), e 1,2-dicrolobenzene, 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 Tritone 100, o il sodio dodecil solfonato (SDS).
I Cresoli sono un gruppo di prodotti chimici industriali in grado di processare CNT a concentrazioni fino a decine di percento di peso, con il risultato di una transizione continua da dispersioni diluite, paste spesse e gel autoportanti ad uno stato di gioco senza precedenti, con l'aumento del carico di CNT. Questi stati mostrano proprietà reologiche e viscoelastiche simili a quelle dei polimeri, che non sono raggiungibili con altri solventi comuni, suggerendo che i nanotubi sono effettivamente disaggregati e finemente dispersi in cresoli. I Cresoli possono essere rimossi dopo la lavorazione mediante riscaldamento o lavaggio, senza alterare la superficie dei CNT. [Chiou et al. 2018]

Applicazioni di Dispersioni CNT

Per utilizzare i vantaggi dei CNT, devono essere dispersi in un liquido come i polimeri, i CNT uniformemente dispersi sono utilizzati per la produzione di plastiche conduttive, display a cristalli liquidi, diodi organici ad emissione di luce, touch screen, display flessibili, celle solari, inchiostri conduttivi, materiali per il controllo statico, inclusi 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.