単層カーボンナノチューブを個別に分散させる方法
単層カーボンナノチューブ(SWNTまたはSWCNT)は独自の特性を持っていますが、それらを発現するためには個別に分散させる必要があります。単層カーボンナノチューブの優れた特性を最大限に引き出すためには、チューブを最も完全に解く必要があります。SWNTは、他のナノ粒子と同様に非常に高い吸引力を示すため、信頼性の高い解凝集と分散には強力で効率的な技術が必要です。一般的な混合技術では、SWNTを損傷することなくもつれを解くのに必要な強度は得られませんが、高出力超音波はSWCNTを解きほぐし分散させることが証明されています。超音波で生成されたキャビテーションせん断力は、結合力を克服するのに十分強力であり、超音波強度はSWCNTの損傷を避けるために正確に調整することができます。
問題：
単層カーボンナノチューブ(SWCNT)は、その電気的特性が多層カーボンナノチューブ(MWNT/MWCNT)とは異なります。SWCNTのバンドギャップは0〜2 eVで変化し、その電気伝導性は金属または半導体の挙動を特徴としています。単層カーボンナノチューブは高凝集性であるため、SWCNTの処理における大きな障害の1つは、チューブが有機溶媒または水に本質的に不溶性であることです。SWCNTのポテンシャルを最大限に引き出すためには、チューブのシンプルで信頼性が高く、スケーラブルな解凝集プロセスが必要です。特に、CNTの側壁または開放端部を官能基化してSWCNTと有機溶媒との間に適切な界面を作り出すと、SWCNTの部分的な剥離のみがもたらされます。したがって、SWCNTは、個々の解凝集ロープではなく、ほとんどが束として分散されます。分散中の条件が厳しすぎる場合、SWCNTは80〜200nmの長さに短縮されます。SWCNTの半導体や補強などの実用化の大部分では、この長さは小さすぎます。
UIP2000hdT、SWCNTを分散させるための2kWの強力な超音波装置。
解決：
超音波処理は、高強度超音波の超音波が液体中にキャビテーションを生成するため、カーボンナノチューブの分散および解凝集の非常に効果的な方法です。液体媒体内を伝搬する音波は、周波数に応じて高圧(圧縮)サイクルと低圧(希薄化)サイクルを交互に繰り返します。低圧サイクルでは、高強度の超音波が液体中に小さな真空気泡または空隙を生成します。気泡がエネルギーを吸収できなくなった体積に達すると、高圧サイクル中に気泡は激しく崩壊します。この現象はキャビテーションと呼ばれます。爆縮時には、非常に高温(約5,000K)と圧力(約2,000気圧)が局地的に到達します。キャビテーション気泡の爆縮は、最大280m/sの速度の液体ジェットももたらします。これらの液体ジェット流は、 超音波キャビテーション、カーボンナノチューブ間の結合力に打ち勝ち、したがって、ナノチューブは解凝集します。穏やかで制御された超音波処理は、高長の分散SWCNTの界面活性剤安定化懸濁液を作成するための適切な方法です。SWCNTの制御された生産のために、ヒールシャーの超音波プロセッサは、超音波パラメータセットの広い範囲での実行を可能にする。超音波振幅、液圧および液体組成は、特定の材料およびプロセスによってそれぞれ変化させることができる。これにより、次のようなさまざまな調整の可能性が提供されます
- 最大170ミクロンのソノトロード振幅
- 最大10バールの液体圧力
- 最大15L/minの液体流量(プロセスによる)
- 80°Cまでの液体温度(その他の温度はご要望に応じて)
- 最大100.000cpの材料粘度
超音波装置
ヒールシャーは高性能を提供します 超音波プロセッサ すべてのボリュームの超音波処理のために。50ワットから16.000ワットまでの超音波デバイスは、クラスターにセットアップすることができ、ラボや業界で、各アプリケーションに適した超音波を見つけることができます。ナノチューブの洗練された分散のためには、連続超音波処理が推奨される。ヒールシャーのフローセルを使用すると、ポリマー、高粘度の溶融物、熱可塑性プラスチックなどの高粘度の液体にCNTを分散させることが可能になります。
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文献/参考文献
- Cheng, Qiaohuan; Debnath, Sourabhi; Gregan, Elizabeth; Byrne, Hugh J. (2010): Ultrasound-Assisted SWNTs Dispersion: Effects of Sonication Parameters and Solvent Properties. The Journal of Physical Chemistry C, 114(19), 2010. 8821–8827.
- Tenent, Robert; Barnes, Teresa; Bergeson, Jeremy; Ferguson, Andrew; To, Bobby; Gedvilas, Lynn; Heben, Michael; Blackburn, Jeffrey (2009): Ultrasmooth, Large‐Area, High‐Uniformity, Conductive Transparent Single‐Walled‐Carbon‐Nanotube Films for Photovoltaics Produced by Ultrasonic Spraying. Advanced Materials. 21. 3210 – 3216.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
知っておく価値のある事実
超音波装置は、プローブソニケーター、超音波ホモジナイザー、ソニックライザー、超音波ディスラプター、超音波グラインダー、ソノラプター、ソニファイア、ソニックディスメンブレーター、セルディスラプター、超音波分散器またはディゾルバーと呼ばれることがよくあります。異なる用語は、超音波処理によって達成することができる様々なアプリケーションから生じます。