탄소나노튜브(CNT)의 초음파 분산

탄소나노튜브는 강하고 유연하지만 응집성이 매우 높습니다. 물, 에탄올, 오일, 고분자 또는 에폭시 수지와 같은 액체에 분산하기 어렵습니다. 초음파는 각각 분리되어 개별적으로 분산된 탄소나노튜브를 얻는 데 효과적인 방법입니다.

탄소나노튜브(CNT)는 접착제, 코팅제 및 고분자에 사용되며, 전기 장비와 정전 도장이 가능한 자동차 차체 패널의 정전하를 소산하기 위해 플라스틱의 전기 전도성 충전재로도 사용됩니다. 나노튜브를 사용하면 고분자의 온도, 강한 화학물질, 부식성 환경, 극한 압력 및 마모에 대한 저항성을 높일 수 있습니다. 탄소나노튜브는 단일벽 나노튜브(SWNT)와 다중벽 나노튜브(MWNT)의 두 가지 범주로 나뉩니다.

탄소나노튜브는 일반적으로 건조 재료 형태로 공급되며, 공급업체의 예로는 SES Research나 CNT Co., Ltd. 등이 있습니다. 나노튜브의 잠재력을 최대한 활용하려면 간단하고 신뢰할 수 있으며 규모 확장이 가능한 응집 해체 공정이 필요합니다. 점도가 최대 100,000cP인 액체에서 초음파는 물, 오일 또는 고분자에 나노튜브를 저농도 또는 고농도로 분산하는 데 매우 효과적인 기술입니다. 액체 제트 흐름은 초음파 캐비테이션에 의해 발생하며, 나노튜브 사이의 결합력을 극복하여 나노튜브를 분리합니다. 또한 초음파로 생성되는 전단력과 미세 난류로 인해 초음파는 나노튜브의 표면 코팅 및 다른 물질과의 화학 반응에도 도움을 줄 수 있습니다.

일반적으로 거칠게 분산된 나노튜브 분산액을 먼저 일반 교반기로 예비 혼합한 다음 초음파 플로우 셀 반응기에서 균질화합니다. 아래 동영상은 실험실 시험(배치 초음파 처리에 사용한 장치: UP400S)에서 다중벽 탄소나노튜브를 물에 저농도로 분산하는 과정을 보여줍니다. 탄소의 화학적 특성으로 인해 나노튜브를 물에 분산하는 것은 상당히 어렵습니다. 동영상에서 볼 수 있듯이, 초음파 처리로 나노튜브를 효과적으로 분산할 수 있다는 사실을 쉽게 입증할 수 있습니다.

탄소나노튜브의 초음파 분산: Hielscher 초음파 처리기 UP400S(400W)는 CNT의 얽힘을 풀고 개별 나노튜브로 빠르고 효율적으로 분산시킵니다.

길이가 긴 개별 SWNT의 분산

SWNT의 가공 및 조작에서 주요한 문제는 일반적인 유기 용매와 물에 나노튜브가 본질적으로 용해되지 않는다는 점입니다. SWNT와 용매 사이에 적절한 계면을 형성하기 위해 나노튜브의 측벽이나 열린 말단을 기능화하더라도 대부분 SWNT 로프 구조의 부분적인 박리만 일어납니다.
그 결과, SWNT는 일반적으로 완전히 분리된 개별 구조체가 아니라 다발 형태로 분산됩니다. 분산 과정에서 지나치게 가혹한 조건을 적용하면 SWNT의 길이가 80–200nm로 짧아집니다. 이러한 길이는 특정 시험에는 유용하지만, 반도체용 또는 보강용 SWNT와 같은 대부분의 실제 응용에는 너무 짧습니다. 제어된 온화한 초음파 처리(예: 40mm 소노트로드가 장착된 UP200Ht를 사용한 처리)는 길이가 긴 개별 SWNT의 수분산액을 제조하는 데 효과적인 방법입니다. 온화한 초음파 처리를 순차적으로 수행하면 길이 감소를 최소화하고 구조적 특성과 전자적 특성을 최대한 보존할 수 있습니다.

고분자 보조 초음파 처리를 통한 SWNT 정제

순수한 SWNT를 얻기 어렵기 때문에 분자 수준에서 SWNT의 화학적 변형을 연구하기는 어렵습니다. 성장 직후의 SWNT에는 금속 입자와 비정질 탄소 등 많은 불순물이 포함되어 있습니다. 폴리(메틸 메타크릴레이트) PMMA의 모노클로로벤젠(MCB) 용액에서 SWNT를 초음파 처리한 후 여과하는 것은 SWNT를 정제하는 효과적인 방법입니다. 이 고분자 보조 정제법을 사용하면 성장 직후의 SWNT에서 불순물을 효과적으로 제거할 수 있습니다. (Yudasaka et al.) 초음파 처리 진폭을 정밀하게 제어하면 SWNT의 손상을 제한할 수 있습니다.

나노튜브를 효율적으로 분산하기 위한 Hielscher의 다양한 초음파 장치 및 액세서리.

• 소형 실험실 장치 – 최대 400와트의 초음파 출력으로 최대 2리터의 소량 액체에 분산
• UIP500hdT, UIP1000hdT 및 UIP1500hdT는 더 큰 부피를 처리할 수 있는 초음파 처리기입니다.
• 초음파 시스템인 2kW (UIP2000hdT) 및 4kW (UIP4000hdT)는 생산 규모의 탄소나노튜브 분산에 사용할 수 있습니다. UIP10000 (10킬로와트) 및 UIP16000 (16킬로와트)는 여러 개별 장치를 클러스터로 구성하여 탄소나노튜브의 대규모 처리에 사용할 수 있습니다.”

참고 문헌

• Koshio, A., Yudasaka, M., Zhang, M., Iijima, S. (2001): A Simple Way to Chemically React Single-Wall Crabon Nanotubes with Organic Materials Using Ultrasonication; in Nano Letters, Vol. 1, No. 7, 2001, p. 361-363.
• Yudasaka, M., Zhang, M., Jabs, C. et al. (2000): Effect of an organic polymer in purification and cutting of single-wall carbon nanotubes. Appl Phys A 71, 449–451 (2000).
• Paredes, J. I., Burghard, M. (2004): Dispersions of Individual Single-Walled Carbon Nanotubes of High Length, in: Langmuir, Vol. 20, No. 12, 2004, 5149-5152, American Chemical Society.