超音波処理によるCNTの均一分散
カーボンナノチューブ（CNT）の卓越した機能性を利用するには、均質に分散させる必要がある。
超音波分散機は、CNTを水性および溶媒ベースの懸濁液に分散させるための最も一般的なツールである。
超音波分散技術は、CNTを傷つけることなく完全に分離するために、十分に高いせん断エネルギーを作り出す。
カーボンナノチューブの超音波分散
カーボンナノチューブ（CNT）は非常に高いアスペクト比を持ち、低密度と巨大な表面積（数百m2/g）を示すため、非常に高い引張強度、剛性、靭性、非常に高い電気伝導性、熱伝導性といったユニークな特性を持つ。単一のカーボンナノチューブ（CNT）同士を引き寄せるファンデルワールス力により、CNTは通常、束状または綛状に配列する。これらの分子間引力は、πスタッキングとして知られる隣接するナノチューブ間のπ結合スタッキング現象に基づいている。カーボンナノチューブから最大限の利益を引き出すには、これらの凝集を解きほぐし、CNTを均質に分散させる必要がある。激しい超音波照射は、液体中に音響キャビテーションを発生させる。それによって発生する局所的なせん断応力がCNT凝集体を破壊し、均一な懸濁液中に均一に分散させる。超音波分散技術は、CNTを損傷させることなく、CNTの完全な分離を達成するために十分に高いせん断エネルギーを作り出す。繊細な単層カーボンナノチューブ（SWNTs）であっても、超音波処理によって個別に分離することに成功している。超音波は、個々のナノチューブに大きな破壊を起こすことなく、SWNT凝集体を分離するのに十分な応力レベルを与えるだけである（Huang, Terentjev 2012）。
- 単分散CNT
- 均質な分布
- 高い分散効率
- 高濃度CNT
- CNT劣化なし
- 高速処理
- 精密なプロセス制御
UIP2000hdT – CNT分散用2kW強力超音波発生装置
CNT分散用の高性能超音波システム
Hielscher Ultrasonicsは、CNTの効率的な分散のための強力で信頼性の高い超音波装置を提供しています。分析用の小さなCNTサンプルの調製やR&Hielscher社の製品群は、お客様のご要望に最適な超音波システムを提供します。製品 50W超音波発生装置 ラボ用 16kW 工業用超音波ユニット 商業生産なら、Hielscher Ultrasonicsにお任せください。
高品質のカーボンナノチューブ分散液を製造するためには、プロセスパラメータを適切に制御する必要がある。振幅、温度、圧力、保持時間は、均一なカーボンナノチューブ分散に最も重要なパラメーターです。Hielscher社の超音波発生装置は、各パラメーターを正確に制御できるだけでなく、すべてのプロセスパラメーターがHielscher社のデジタル超音波システムの内蔵SDカードに自動的に記録されます。超音波処理の各プロトコルは、再現性のある結果と一貫した品質を保証するのに役立ちます。遠隔ブラウザー制御により、ユーザーは超音波システムの場所にいなくても超音波装置を操作・監視することができます。
単層カーボンナノチューブ(SWNTs)や多層カーボンナノチューブ(MWNTs)は、選択された水性または溶媒媒体と同様に、特定の処理強度を必要とするため、超音波振幅は、最終製品に関しては重要な要素です。Hielscher Ultrasonics’ 工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅と非常に穏やかな振幅を提供することができます。お客様のプロセス要件に最適な振幅を設定します。最大200µmの振幅でも、24時間365日の連続運転が容易です。さらに高い振幅を実現するために、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご用意しています。Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷や過酷な環境下でも24時間365日の稼働が可能です。
Hielscher Ultrasonicのシステムの卓越した堅牢性と信頼性は、お客様にご満足いただいております。ヘビーデューティーなアプリケーション、厳しい環境、24時間365日稼働の分野での設置は、効率的で経済的な処理を保証します。超音波プロセスの強化は、処理時間を短縮し、より良い結果、すなわち高品質、高歩留まり、革新的な製品を実現します。
下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：
| バッチ量 | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 00.5〜1.5mL | n.a. | バイアルツイーター |
| 1〜500mL | 10～200mL/分 | UP100H |
| 10〜2000mL | 20～400mL/分 | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1～20L | 0.2～4L/分 | UIP2000hdT |
| 10～100L | 2～10L/分 | UIP4000hdT |
| n.a. | 10～100L/分 | uip16000 |
| n.a. | より大きい | クラスタ uip16000 |
お問い合わせ/ お問い合わせ
ラボスケールからパイロットスケール、工業スケールまで対応するハイパワー超音波プロセッサー。
文献・参考文献
- 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.
知っておくべき事実
カーボンナノチューブとは
カーボンナノチューブ（CNT）は、特殊な一次元炭素材料の一種であり、卓越した機械的、電気的、熱的、光学的特性を示す。カーボンナノチューブは、ナノコンポジット、強化ポリマーなどの先端ナノ材料の開発・製造に使用される主要成分であり、最先端技術に使用されている。CNTは、非常に高い引張強度、優れた熱伝導特性、低バンドギャップ、最適な化学的・物理的安定性を示すことから、ナノチューブは多様な材料への添加剤として有望視されている。
CNTSはその構造によって、単層カーボンナノチューブ（SWNT）、二層カーボンナノチューブ（DWCNT）、多層カーボンナノチューブ（MWNT）に区別される。
SWNTは、原子1個分の厚さの炭素壁でできた中空の長い円筒形のチューブである。炭素の原子シートはハニカム格子状に配置されている。しばしば、単層グラファイトやグラフェンの巻きシートと概念的に比較される。
DWCNTは2本の単層ナノチューブから成り、一方が他方の中に入れ子になっている。
MWNTはCNTの一種で、複数の単層カーボンナノチューブが互いに入れ子になっている。その直径は3～30nmの間であり、数cmの長さに成長することもあるため、そのアスペクト比は1000万から1000万の間で変化する。カーボンナノファイバーと比較すると、MWNTは壁構造が異なり、外径が小さく、内部が空洞である。工業的に入手可能な一般的なMWNTとしては、Baytubes® C150P、Nanocyl® NC7000、Arkema Graphistrength® C100、FutureCarbon CNT-MWなどがある。
CNTの合成:CNTは、プラズマ合成法、アーク放電蒸発法、レーザーアブレーション法、熱合成法、化学気相成長法（CVD）、プラズマエンハンスト化学気相成長法などで製造することができる。
CNTの官能基化:カーボンナノチューブの特性を改善し、特定の用途により適したものにするために、CNTはしばしば官能化される。例えば、カルボン酸（-COOH）やヒドロキシル（-OH）基を付加することによって。
CNT分散添加剤
超酸、イオン液体、N-シクロヘキシル-2-ピロリドンのようないくつかの溶媒は、CNTの比較的高濃度の分散液を調製することができるが、N-メチル-2-ピロリドン（NMP）、ジメチルホルムアミド（DMF）、1,2-ジクロロベンゼンのようなナノチューブ用の最も一般的な溶媒は、ナノチューブを非常に低濃度（例えば、通常 <0.02wt％の単層CNT）。最も一般的な分散剤は、ポリビニルピロリドン（PVP）、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム（SDBS）、トリトン100、またはドデシルスルホン酸ナトリウム（SDS）である。
クレゾールは、数十重量パーセントまでの濃度でCNTを処理できる工業用化学物質の一群であり、その結果、CNTの担持量が増加するにつれて、希薄な分散液、濃厚なペースト、自立したゲルから、これまでにないプレイドウのような状態へと連続的に移行する。これらの状態は、他の一般的な溶媒では得られないポリマーのようなレオロジーおよび粘弾性特性を示し、ナノチューブがクレゾール中で実際に分解され、微細に分散していることを示唆している。クレゾールは、CNTの表面を変化させることなく、加熱や洗浄によって処理後に除去することができる。[Chiou et al.］
CNT分散液の応用
均一に分散されたCNTは、導電性プラスチック、液晶ディスプレイ、有機発光ダイオード、タッチスクリーン、フレキシブルディスプレイ、太陽電池、導電性インク、フィルム、発泡体、繊維、布地を含む静電気制御材料、ポリマーコーティングや接着剤、卓越した機械的強度と靭性を持つ高性能ポリマー複合材料、ポリマー/CNT複合繊維、軽量材料や帯電防止材料の製造に使用されている。
炭素の形態とは？
炭素はいくつかの同素体で存在する：
- 結晶形態：ダイヤモンド、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ（CNT）、フラーレン（例． C60).
- 非晶質：炭、すす、カーボンブラック、ガラス状炭素、ダイヤモンドライクカーボン（DLC）、 単層アモルファスカーボン（MAC）.
- ハイブリッド・ナノ構造：ナノダイヤモンド、炭素イオン、炭素エアロゲル、ナノ炭素-金属ハイブリッドなどの複合材料。
各形態は、材料科学、エレクトロニクス、エネルギー貯蔵への応用に関連する、明確な物理化学的特性を示す。