초음파 처리로 균일하게 분산된 CNT
탄소 나노튜브(CNT)의 탁월한 기능을 활용하려면 균일하게 분산해야 합니다.
초음파 분산기는 CNT를 수계 및 용매 기반 현탁액에 분산하는 데 가장 흔히 사용되는 도구입니다.
초음파 분산 기술은 CNT를 손상시키지 않고 완전히 분리할 수 있을 만큼 충분히 높은 전단 에너지를 생성합니다.
탄소 나노튜브의 초음파 분산
탄소 나노튜브(CNT)는 종횡비가 매우 높고 밀도가 낮으며 표면적이 매우 넓어(수백 m2/g), 매우 높은 인장 강도, 강성 및 인성과 매우 높은 전기 및 열전도도 등의 고유한 특성을 지닙니다. 개별 탄소 나노튜브(CNT)를 서로 끌어당기는 반데르발스 힘으로 인해 CNT는 일반적으로 다발이나 실타래 형태로 모입니다. 이러한 분자 간 인력은 π-스태킹으로 알려진 인접 나노튜브 사이의 π-결합 적층 현상에 기반합니다. 탄소 나노튜브의 이점을 최대한 활용하려면 이러한 응집체의 얽힘을 풀고 CNT를 균질한 분산액에 고르게 분포시켜야 합니다. 강력한 초음파 처리는 액체 내에 음향 캐비테이션을 생성합니다. 이로 인해 발생하는 국소 전단 응력이 CNT 응집체를 부수고 균질한 현탁액에 균일하게 분산시킵니다. 초음파 분산 기술은 CNT를 손상시키지 않고 완전히 분리할 수 있을 만큼 충분히 높은 전단 에너지를 생성합니다. 민감한 SWNT에도 초음파 처리를 성공적으로 적용하여 개별적으로 얽힘을 풀 수 있습니다. 초음파 처리는 개별 나노튜브에 큰 파단을 일으키지 않으면서 SWNT 응집체를 분리하는 데 충분한 수준의 응력을 제공합니다(Huang, Terentjev 2012).
- 개별적으로 분산된 CNT
- 균일한 분포
- 높은 분산 효율
- 높은 CNT 함량
- CNT의 열화 없음
- 신속한 처리
- 정밀한 공정 제어
UIP2000hdT – CNT 분산액용 강력한 2kW 초음파 장치
CNT 분산액용 고성능 초음파 시스템
Hielscher Ultrasonics는 CNT를 효율적으로 분산하기 위한 강력하고 신뢰할 수 있는 초음파 장비를 공급합니다. 분석 및 연구 개발을 위한 소량의 CNT 시료를 준비하거나 벌크 분산액을 산업 규모의 대량 로트로 제조해야 하는 경우 모두, Hielscher의 제품군은 요구 사항에 맞는 이상적인 초음파 시스템을 제공합니다. 50W 초음파 장치를 사용하는 실험실 작업부터 16kW 산업용 초음파 장치를 사용하는 상업 생산에 이르기까지 Hielscher Ultrasonics가 지원합니다.
고품질 탄소 나노튜브 분산액을 생산하려면 공정 매개변수를 잘 제어해야 합니다. 진폭, 온도, 압력 및 체류 시간은 균일한 CNT 분포를 위한 가장 중요한 매개변수입니다. Hielscher의 초음파 장치는 각 매개변수를 정밀하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 모든 공정 매개변수를 Hielscher 디지털 초음파 시스템에 내장된 SD 카드에 자동으로 기록합니다. 각 초음파 처리 공정의 기록은 재현 가능한 결과와 일관된 품질을 보장하는 데 도움이 됩니다. 사용자는 원격 브라우저 제어를 통해 초음파 시스템이 있는 현장에 가지 않고도 초음파 장치를 작동하고 모니터링할 수 있습니다.
단일벽 탄소 나노튜브(SWNT)와 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT), 그리고 선택한 수계 또는 용매 매질에는 각각 특정한 처리 강도가 필요하므로, 초음파 진폭은 최종 제품을 결정하는 핵심 요소입니다. Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭부터 매우 낮은 진폭까지 제공할 수 있습니다. 공정 요구 사항에 맞는 이상적인 진폭을 설정하십시오. 최대 200µm의 진폭에서도 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 장비의 견고함은 고부하 조건과 까다로운 환경에서 24/7 운전을 가능하게 합니다.
고객들은 Hielscher Ultrasonic 시스템의 뛰어난 견고함과 신뢰성에 만족하고 있습니다. 고부하 응용 분야, 까다로운 환경 및 24/7 운전 현장에 설치하여 효율적이고 경제적인 처리를 보장합니다. 초음파 공정 강화는 처리 시간을 단축하고 더 높은 품질, 더 높은 수율, 혁신적인 제품 등 더 나은 결과를 달성합니다.
아래 표는 당사 초음파 장치의 대략적인 처리 용량을 보여 줍니다.
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 0.5–1.5mL | 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. | 더 큰 유량 | 클러스터 구성: UIP16000 |
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문헌 / 참고 자료
- 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.
알아두면 좋은 정보
탄소 나노튜브란 무엇인가
탄소 나노튜브(CNT)는 일차원 탄소 재료의 특수한 부류에 속하며 탁월한 기계적, 전기적, 열적 및 광학적 특성을 나타냅니다. 나노복합재, 강화 고분자 등 첨단 나노재료의 개발과 생산에 사용되는 주요 구성 요소이므로 최첨단 기술에 활용됩니다. CNT는 매우 높은 인장 강도, 우수한 열전달 특성, 낮은 밴드갭, 최적의 화학적 및 물리적 안정성을 나타내므로 다양한 재료를 위한 유망한 첨가제입니다.
CNTS는 구조에 따라 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT), 이중벽 탄소 나노튜브(DWCNT), 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT)로 구분됩니다.
SWNT는 원자 하나 두께의 탄소 벽으로 이루어진 속이 빈 긴 원통형 튜브입니다. 탄소 원자 시트는 벌집 격자로 배열되어 있습니다. 개념적으로는 단층 흑연이나 그래핀 시트를 말아 놓은 형태에 비유되는 경우가 많습니다.
DWCNT는 두 개의 단일벽 나노튜브로 구성되며, 하나가 다른 하나의 안쪽에 들어가 있습니다.
MWNT는 여러 개의 단일벽 탄소 나노튜브가 서로 안쪽에 겹겹이 들어가 있는 CNT 형태입니다. 직경은 3–30 nm 범위이고 길이는 수 cm까지 자랄 수 있으므로 종횡비는 10에서 천만까지 달라질 수 있습니다. 탄소 나노섬유와 비교하면 MWNT는 벽 구조가 다르고 외경이 더 작으며 내부가 비어 있습니다. 일반적으로 사용되는 산업용 상용 MWNT 종류에는 Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100, FutureCarbon CNT-MW 등이 있습니다.
CNT의 합성: CNT는 플라스마 기반 합성법이나 아크 방전 증발법, 레이저 어블레이션법, 열 합성 공정, 화학 기상 증착(CVD) 또는 플라스마 강화 화학 기상 증착으로 생산할 수 있습니다.
CNT의 기능화: 탄소 나노튜브의 특성을 개선하여 특정 응용 분야에 더 적합하게 만들기 위해, CNT는 카복실산(-COOH) 또는 하이드록실(-OH) 작용기를 추가하는 등의 방식으로 기능화되는 경우가 많습니다.
CNT 분산 첨가제
초강산, 이온성 액체, N-사이클로헥실-2-피롤리돈과 같은 일부 용매로는 비교적 고농도의 CNT 분산액을 제조할 수 있는 반면, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 1,2-디클로로벤젠과 같이 나노튜브에 가장 흔히 사용되는 용매로는 매우 낮은 농도에서만 나노튜브를 분산할 수 있습니다(예: 단일벽 CNT의 경우 일반적으로 <0.02 wt%). 가장 흔한 분산제는 폴리비닐피롤리돈(PVP), 도데실벤젠설폰산 나트륨(SDBS), Triton 100 또는 도데실설폰산 나트륨(SDS)입니다.
크레졸류는 최대 수십 중량 퍼센트의 농도로 CNT를 처리할 수 있는 산업용 화학물질군으로, CNT 함량이 증가함에 따라 묽은 분산액에서 걸쭉한 페이스트, 자립형 겔을 거쳐 전례 없는 플레이도우와 같은 상태로 연속적으로 전이됩니다. 이러한 상태는 다른 일반적인 용매로는 얻을 수 없는 고분자와 유사한 유변학적 및 점탄성 특성을 나타내며, 이는 나노튜브가 크레졸류에서 실제로 응집이 풀리고 미세하게 분산되었음을 시사합니다. 처리 후에는 CNT의 표면을 변화시키지 않고 가열이나 세척으로 크레졸류를 제거할 수 있습니다. [Chiou et al. 2018]
CNT 분산액의 응용 분야
CNT의 이점을 활용하려면 고분자와 같은 액체에 분산해야 합니다. 고르게 분산된 CNT는 전도성 플라스틱, 액정 디스플레이, 유기 발광 다이오드, 터치스크린, 유연 디스플레이, 태양 전지, 전도성 잉크, 필름·발포체·섬유·직물 등을 포함한 정전기 제어 재료, 고분자 코팅 및 접착제, 탁월한 기계적 강도와 인성을 지닌 고성능 고분자 복합재, 고분자/CNT 복합 섬유, 경량 재료 및 정전기 방지 재료의 제조에 사용됩니다.
탄소에는 어떤 형태가 있는가?
탄소는 다음을 포함한 여러 동소체로 존재합니다.
- 결정질 형태: 다이아몬드, 흑연, 그래핀, 탄소 나노튜브(CNT), 풀러렌(예: C₆₀).
- 비정질 형태: 목탄, 그을음, 카본 블랙, 유리상 탄소, 다이아몬드 유사 탄소(DLC), 단층 비정질 탄소(MAC).
- 하이브리드 나노구조: 나노다이아몬드, 탄소 어니언, 탄소 에어로겔 및 나노탄소-금속 하이브리드와 같은 복합재.
각 형태는 재료 과학, 전자공학 및 에너지 저장 분야의 응용과 관련된 고유한 물리화학적 특성을 나타냅니다.