Kā disperģēt viensienas oglekļa nanocaurulītes atsevišķi

Viensienas oglekļa nanocaurulītēm (SWNT vai SWCNT) piemīt unikālas īpašības, taču, lai tās izpaustos, nanocaurulītes ir jādisperģē atsevišķi. Lai pilnībā izmantotu viensienas oglekļa nanocaurulīšu izcilās īpašības, tās ir pēc iespējas pilnīgāk jāatšķetina. SWNT, tāpat kā citām nanodaļiņām, piemīt ļoti lieli savstarpējās pievilkšanās spēki, tāpēc uzticamai deaglomerācijai un disperģēšanai ir nepieciešama jaudīga un efektīva metode. Parastās maisīšanas metodes nenodrošina intensitāti, kas nepieciešama SWNT atšķetināšanai, tās nesabojājot, savukārt lieljaudas ultraskaņas spēja atšķetināt un disperģēt SWCNT ir pierādīta. Ultraskaņas radītās kavitācijas bīdes spēki ir pietiekami lieli, lai pārvarētu saistīšanās spēkus, un ultraskaņas intensitāti var precīzi regulēt, lai izvairītos no SWCNT bojājumiem.

Problēma:

Viensienas oglekļa nanocaurulītes (SWCNT) atšķiras no daudzsienu oglekļa nanocaurulītēm (MWNT/ MWCNT) ar savām elektriskajām īpašībām. SWCNT aizliegtās zonas platums var būt no nulles līdz 2 eV, un to elektrovadītspējai ir metālisks vai pusvadītāju raksturs. Tā kā viensienas oglekļa nanocaurulītēm piemīt spēcīga savstarpējā kohēzija, viens no galvenajiem šķēršļiem SWCNT apstrādē ir to dabiskā nešķīdība organiskajos šķīdinātājos vai ūdenī. Lai pilnībā izmantotu SWCNT potenciālu, ir nepieciešams vienkāršs, uzticams un mērogojams nanocaurulīšu deaglomerācijas process. Jo īpaši CNT sānu sienu vai atvērto galu funkcionalizēšana, lai izveidotu piemērotu saskarni starp SWCNT un organisko šķīdinātāju, nodrošina tikai daļēju SWCNT eksfoliāciju. Tāpēc SWCNT lielākoties tiek disperģētas kūlīšos, nevis kā atsevišķas deaglomerētas šķiedras. Ja disperģēšanas apstākļi ir pārāk skarbi, SWCNT saīsinās līdz 80–200nm garumam. Lielākajai daļai praktisko lietojumu, proti, SWCNT izmantošanai par pusvadītājiem vai armējošiem materiāliem, šis garums ir pārāk mazs.

Risinājums:

Apstrāde ar ultraskaņu ir ļoti efektīva oglekļa nanocaurulīšu disperģēšanas un deaglomerācijas metode, jo augstas intensitātes ultraskaņas viļņi šķidrumos rada kavitāciju. Skaņas viļņi, kas izplatās šķidrā vidē, rada pārmaiņus augstspiediena (saspiešanas) un zemspiediena (retinājuma) ciklus, kuru atkārtošanās ātrums ir atkarīgs no frekvences. Zemspiediena cikla laikā augstas intensitātes ultraskaņas viļņi šķidrumā rada mazus vakuuma burbulīšus vai dobumus. Kad burbulīši sasniedz tilpumu, pie kura tie vairs nespēj absorbēt enerģiju, augstspiediena cikla laikā tie strauji sabrūk. Šo parādību sauc par kavitāciju. Implozijas laikā lokāli tiek sasniegta ļoti augsta temperatūra (aptuveni 5 000K) un spiediens (aptuveni 2 000atm). Kavitācijas burbulīša implozija rada arī šķidruma strūklas, kuru ātrums sasniedz līdz 280m/s. Šīs šķidruma strūklas, ko rada ultraskaņas kavitācija, pārvar saistīšanās spēkus starp oglekļa nanocaurulītēm, tādējādi izraisot nanocaurulīšu deaglomerāciju. Saudzīga, kontrolēta apstrāde ar ultraskaņu ir piemērota metode, lai iegūtu ar virsmaktīvajām vielām stabilizētas disperģētu, garu SWCNT suspensijas. Kontrolētai SWCNT ražošanai Hielscher ultraskaņas procesori ļauj strādāt ar plašu ultraskaņas parametru kopu klāstu. Ultraskaņas amplitūdu, šķidruma spiedienu un šķidruma sastāvu var mainīt atbilstoši konkrētajam materiālam un procesam. Tas nodrošina dažādas regulēšanas iespējas, piemēram,

• sonotrodes amplitūdu līdz 170 mikroniem
• šķidruma spiedienu līdz 10 bāriem
• šķidruma plūsmas ātrumu līdz 15L/min (atkarībā no procesa)
• šķidruma temperatūru līdz 80 degC (citas temperatūras pēc pieprasījuma)
• materiāla viskozitāti līdz 100 000cp

 

Turklāt apstrāde ar ultraskaņu kā attīrīšanas metode ar polimēra palīdzību ļauj efektīvi atdalīt piemaisījumus no tikko izaudzētām SWCNT. SWCNT ķīmisko modificēšanu ir grūti pētīt molekulārā līmenī, jo ir grūti iegūt tīras SWNT. Tikko izaudzētas SWCNT satur daudz piemaisījumu, piemēram, metāla daļiņas un amorfo oglekli. SWCNT apstrāde ar ultraskaņu poli(metilmetakrilāta) PMMA šķīdumā monohlorbenzolā (MCB), kam seko filtrēšana, ir efektīvs SWCNT attīrīšanas veids. Šī attīrīšanas metode ar polimēra palīdzību ļauj efektīvi atdalīt piemaisījumus no tikko izaudzētām SWCNT. Precīza ultraskaņas apstrādes amplitūdas kontrole ļauj izvairīties no SWCNT bojājumiem vai tos ierobežot.

Ultraskaņas aprīkojums

Hielscher piedāvā augstas veiktspējas ultraskaņas procesorus jebkura tilpuma apstrādei ar ultraskaņu. Ultraskaņas ierīces ar jaudu no 50 vatiem līdz 16 000 vatiem, kuras var apvienot grupās, ļauj atrast piemērotu ultraskaņas ierīci katram lietojumam gan laboratorijā, gan rūpniecībā. Sarežģītai nanocaurulīšu disperģēšanai ir ieteicama nepārtraukta apstrāde ar ultraskaņu. Izmantojot Hielscher plūsmas šūnas, CNT ir iespējams disperģēt paaugstinātas viskozitātes šķidrumos, piemēram, polimēros, augstas viskozitātes kausējumos un termoplastos.

Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par nanocaurulīšu disperģēšanu un modificēšanu ar lieljaudas ultraskaņu!