Oglekļa nanocaurulīšu (CNT) disperģēšana ar ultraskaņu
Oglekļa nanocaurulītes ir izturīgas un elastīgas, taču tām piemīt ļoti spēcīga savstarpējā kohēzija. Tās ir grūti disperģēt šķidrumos, piemēram, ūdenī, etanolā, eļļā, polimērā vai epoksīdsveķos. Ultraskaņa ir efektīva metode atsevišķu – individuāli disperģētu – oglekļa nanocaurulīšu iegūšanai.
Oglekļa nanocaurulītes (CNT) izmanto līmēs, pārklājumos un polimēros, kā arī kā elektrību vadošas pildvielas plastmasās, lai izkliedētu statiskos lādiņus elektroiekārtās un elektrostatiski krāsojamos automobiļu virsbūves paneļos. Izmantojot nanocaurulītes, var palielināt polimēru izturību pret temperatūras iedarbību, agresīvām ķīmiskām vielām, korozīvu vidi, ārkārtīgi augstu spiedienu un abrazīvo nodilumu. Ir divas oglekļa nanocaurulīšu kategorijas: viensienas nanocaurulītes (SWNT) un daudzsienu nanocaurulītes (MWNT).
Rūpnieciskais ultraskaņas homogenizators UIP1500hdT oglekļa nanocaurulīšu (CNT) un citu nanomateriālu disperģēšanai.
Oglekļa nanocaurulītes parasti ir pieejamas sausa materiāla veidā, piemēram, no tādiem uzņēmumiem kā SES Research vai CNT Co., Ltd. Lai pilnībā izmantotu nanocaurulīšu potenciālu, ir nepieciešams vienkāršs, uzticams un mērogojams deaglomerācijas process. Šķidrumiem ar viskozitāti līdz 100 000cP ultraskaņa ir ļoti efektīva tehnoloģija nanocaurulīšu disperģēšanai ūdenī, eļļā vai polimēros zemā vai augstā koncentrācijā. Šķidruma strūklas, ko rada ultraskaņas kavitācija, pārvar saistīšanās spēkus starp nanocaurulītēm un atdala tās citu no citas. Ultraskaņas radīto bīdes spēku un mikroturbulences dēļ ultraskaņa var arī veicināt nanocaurulīšu virsmas pārklāšanu un ķīmiskās reakcijas ar citiem materiāliem.
Parasti rupju nanocaurulīšu dispersiju vispirms iepriekš sajauc ar standarta maisītāju un pēc tam homogenizē ultraskaņas plūsmas šūnas reaktorā. Tālāk redzamajā videoklipā ir parādīts laboratorijas izmēģinājums (porcijas apstrāde ar ultraskaņu, izmantojot UP400S), kurā daudzsienu oglekļa nanocaurulītes tiek disperģētas ūdenī zemā koncentrācijā. Oglekļa ķīmiskās dabas dēļ nanocaurulīšu disperģēšana ūdenī ir diezgan sarežģīta. Kā parādīts videoklipā, var viegli demonstrēt, ka apstrāde ar ultraskaņu spēj efektīvi disperģēt nanocaurulītes.
Dažādu cietinātājā ar zondes tipa ultraskaņas ierīci disperģētu nanopildvielu salīdzinājums): (a) 0,5 wt% oglekļa nanošķiedru (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxid; (c) 0,5 wt% oglekļa nanocaurulīšu (CNT); (d) 0,5 wt% daļēji disperģētu CNT.
Pētījums un attēls: ©Zanghellini et al., 2021
Atsevišķu garu SWNT disperģēšana
Būtiska problēma SWNT apstrādē un manipulācijās ar tām ir nanocaurulīšu dabiskā nešķīdība parastajos organiskajos šķīdinātājos un ūdenī. Nanocaurulīšu sānu sienas vai atvērto galu funkcionalizācija, lai izveidotu piemērotu saskarni starp SWNT un šķīdinātāju, lielākoties izraisa tikai daļēju SWNT kūļu atslāņošanos.
Tādēļ SWNT parasti tiek disperģētas kūļu, nevis pilnībā izolētu atsevišķu objektu veidā. Ja disperģēšanā izmanto pārāk skarbus apstākļus, SWNT tiek saīsinātas līdz garumam no 80 līdz 200nm. Lai gan tas ir noderīgi noteiktiem testiem, šāds garums ir pārāk mazs lielākajai daļai praktisko lietojumu, piemēram, SWNT izmantošanai par pusvadītājiem vai stiegrojošiem materiāliem. Kontrolēta, saudzīga apstrāde ar ultraskaņu (piemēram, izmantojot UP200Ht ar 40mm sonotrodi) ir efektīva metode atsevišķu garu SWNT ūdens dispersiju sagatavošanai. Secīgi saudzīgas apstrādes ar ultraskaņu posmi samazina saīsināšanos un ļauj maksimāli saglabāt strukturālās un elektroniskās īpašības.
SWNT attīrīšana ar ultraskaņu polimēra klātbūtnē
SWNT ķīmisko modificēšanu ir grūti pētīt molekulārā līmenī, jo ir grūti iegūt tīras SWNT. Tikko izaudzētas SWNT satur daudz piemaisījumu, piemēram, metāla daļiņas un amorfo oglekli. SWNT apstrāde ar ultraskaņu polimetilmetakrilāta (PMMA) šķīdumā monohlorbenzolā (MCB), kam seko filtrēšana, ir efektīvs SWNT attīrīšanas veids. Šī attīrīšanas metode ar polimēra palīdzību ļauj efektīvi noņemt piemaisījumus no tikko izaudzētām SWNT. (Yudasaka et al.) Precīza ultraskaņas apstrādes amplitūdas kontrole ļauj ierobežot SWNT bojājumus.
Hielscher plašais ultraskaņas ierīču klāsts un piederumi efektīvai nanocaurulīšu disperģēšanai.
- Kompaktas laboratorijas ierīces ar līdz 400 vatu ultraskaņas jaudu disperģēšanai mazākos tilpumos līdz 2 litriem
- UIP500hdT, UIP1000hdT un UIP1500hdT ir ultraskaņas procesori, ar kuriem var apstrādāt lielākus tilpumus.
- Ultraskaņas sistēmas ar jaudu 2kW (UIP2000hdT) un 4kW (UIP4000hdT) var izmantot oglekļa nanocaurulīšu disperģēšanai ražošanas mērogā. Ierīces UIP10000 (10 kilovati) un UIP16000 (16 kilovati) var izmantot vairāku atsevišķu ierīču grupās oglekļa nanocaurulīšu apstrādei lielā mērogā.”
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Literatūra
- 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.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus – no laboratorijas līdz rūpnieciska mēroga ierīcēm.