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
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).
- CNT a dispersione singola
- Distribuzione omogenea
- Elevata efficienza di dispersione
- Elevati carichi di CNT
- Nessuna degradazione del CNT
- elaborazione rapida
- Controllo di processo preciso
UIP2000hdT – 2kW potente ultrasuoni ad ultrasuoni per dispersioni CNT
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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Letteratura / Referenze
- 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.