How To Disperse Single-Walled Carbon Nanotubes Individually
단일벽 탄소나노튜브(SWNT 또는 SWCNT)는 고유한 특성을 가지고 있지만 이를 표현하기 위해서는 개별적으로 분산되어야 합니다. 단일벽 탄소 나노튜브의 뛰어난 특성을 최대한 활용하려면 튜브의 엉킴을 가장 완벽하게 풀어야 합니다. SWNT는 다른 나노 입자와 마찬가지로 매우 높은 인력을 보여주기 때문에 신뢰할 수 있는 응집 및 분산을 위해서는 강력하고 효율적인 기술이 필요합니다. 일반적인 혼합 기술은 SWNT를 손상시키지 않고 엉킴을 제거하는 데 필요한 강도를 제공하지 않지만 고출력 초음파는 SWCNT를 분리하고 분산시키는 것으로 입증되었습니다. 초음파로 생성 된 캐비테이션 전단력은 결합력을 극복 할만큼 강력하며 초음파 강도는 SWCNT의 손상을 피하기 위해 정확하게 조정할 수 있습니다.
Problem:
단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)는 전기적 특성에 따라 다중벽 탄소나노튜브(MWNT/MWCNT)와 다릅니다. SWCNT의 밴드 갭은 0에서 2eV까지 다양할 수 있으며 전기 전도도는 금속 또는 반도체 거동을 특징으로 합니다. Single-Walled Carbon Nanotubes는 응집력이 높기 때문에 SWCNT 처리의 주요 장애물 중 하나는 유기 용제 또는 물에서 튜브의 고유한 불용성입니다. SWCNT의 잠재력을 최대한 활용하려면 간단하고 신뢰할 수 있으며 확장 가능한 튜브의 응집 제거 공정이 필요합니다. 특히, SWCNT와 유기 용매 사이에 적절한 계면을 생성하기 위해 CNT 측벽 또는 개방형 단부의 기능화는 SWCNT의 부분적인 박리를 초래합니다. 따라서 SWCNT는 대부분 개별 응집되지 않은 로프가 아닌 번들로 분산됩니다. 분산 중 조건이 너무 가혹하면 SWCNT는 80nm에서 200nm 사이의 길이로 짧아집니다. 대부분의 실제 응용 분야, 즉 반도체 또는 SWCNT를 강화하는 경우 이 길이는 너무 작습니다.
UIP2000hdT 님, SWCNT를 분산시키는 2kW 강력한 초음파.
Solution:
초음파는 고강도 초음파의 초음파가 액체에서 캐비테이션을 생성하기 때문에 탄소 나노 튜브의 분산 및 응집 해제에 매우 효과적인 방법입니다. 액체 매체에서 전파되는 음파는 고압(압축) 및 저압(희박) 주기가 번갈아 발생하며 주파수에 따라 속도가 달라집니다. 저압 사이클 동안 고강도 초음파는 액체에 작은 진공 기포 또는 공극을 생성합니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 부피에 도달하면 고압 사이클 동안 격렬하게 붕괴됩니다. 이 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 내파 중에는 국부적으로 매우 높은 온도(약 5,000K)와 압력(약 2,000atm)에 도달합니다. 캐비테이션 버블의 내파는 또한 최대 280m/s 속도의 액체 제트를 초래합니다. 이러한 액체 제트 기류는 다음과 같은 원인으로 발생합니다. 초음파 캐비테이션, 탄소 나노튜브 사이의 결합력을 극복하여 나노튜브가 응집되지 않게 됩니다. 온화하고 제어된 초음파 처리는 길이가 긴 분산된 SWCNT의 계면활성제 안정화 현탁액을 생성하는 적절한 방법입니다. SWCNT의 제어 생산을 위해 Hielscher의 초음파 프로세서는 광범위한 초음파 매개 변수 세트에서 실행할 수 있습니다. 초음파 진폭, 액체 압력 및 액체 조성은 특정 재료 및 공정에 따라 각각 변경 될 수 있습니다. 이것은 다음과 같은 다양한 조정 가능성을 제공합니다.
- 최대 170 미크론의 SONOTRODE 진폭
- 최대 10bar의 액체 압력
- 최대 15L/min의 액체 유량(공정에 따라 다름)
- 최대 80°C의 액체 온도(요청 시 다른 온도)
- 최대 100.000cp의 재료 점도
초음파 장비
Hielscher는 고성능을 제공합니다. 초음파 프로세서 모든 볼륨의 초음파를 위해. 50 와트에서 최대 16.000 와트까지의 초음파 장치는 클러스터로 설정할 수 있으므로 실험실 및 업계에서 각 응용 분야에 적합한 초음파를 찾을 수 있습니다. 나노 튜브의 정교한 분산을 위해서는 지속적인 초음파 처리가 권장됩니다. Hielscher의 플로우 셀을 사용하면 CNT를 폴리머, 고점도 용융물 및 열가소성 수지와 같은 점도가 높은 액체로 분산시킬 수 있습니다.
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문헌 / 참고문헌
- 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.
알아 둘 만한 가치가 있는 사실
초음파 장치는 종종 프로브 초음파 발생기, 초음파 균질화기, 음파 용해기, 초음파 분열기, 초음파 분쇄기, 소노 파쇄기, 음파 방출기, 세포 교란기, 초음파 분산기 또는 용해기라고합니다. 다른 용어는 초음파 처리에 의해 충족 될 수있는 다양한 응용 프로그램의 결과입니다.