Ar ultraskaņu vienmērīgi disperģētas CNT
Lai izmantotu oglekļa nanocaurulīšu (CNT) izcilās funkcionālās īpašības, tās ir homogēni jādisperģē.
Ultraskaņas disperģētāji ir visbiežāk izmantotais rīks CNT sadalīšanai ūdens un šķīdinātāju bāzes suspensijās.
Ultraskaņas disperģēšanas tehnoloģija rada pietiekami lielu bīdes enerģiju, lai panāktu pilnīgu CNT atdalīšanu, tās nebojājot.
Oglekļa nanocaurulīšu disperģēšana ar ultraskaņu
Oglekļa nanocaurulītēm (CNT) ir ļoti liela garuma un diametra attiecība, zems blīvums un milzīgs īpatnējās virsmas laukums (vairāki simti m2/g), kas tām piešķir unikālas īpašības, piemēram, ļoti augstu stiepes izturību, stingumu un sīkstumu, kā arī ļoti augstu elektrisko un siltuma vadītspēju. Van der Vālsa spēku dēļ, kas atsevišķas oglekļa nanocaurulītes (CNT) pievelk citu pie citas, CNT parasti sakārtojas kūļos vai kamolos. Šo starpmolekulāro pievilkšanās spēku pamatā ir blakus esošo nanocaurulīšu π-saišu slāņošanās parādība, kas pazīstama kā π-slāņošanās. Lai pilnībā izmantotu oglekļa nanocaurulīšu priekšrocības, šie aglomerāti ir jāatšķetina un CNT vienmērīgi jāsadala homogēnā dispersijā. Intensīva apstrāde ar ultraskaņu šķidrumos rada akustisko kavitāciju. Tās radītais lokālais bīdes spriegums sašķeļ CNT agregātus un vienmērīgi disperģē nanocaurulītes homogēnā suspensijā. Ultraskaņas disperģēšanas tehnoloģija rada pietiekami lielu bīdes enerģiju, lai panāktu pilnīgu CNT atdalīšanu, tās nebojājot. Apstrādi ar ultraskaņu sekmīgi izmanto pat jutīgo SWNT atšķetināšanai atsevišķās nanocaurulītēs. Apstrāde ar ultraskaņu nodrošina tieši pietiekamu sprieguma līmeni, lai atdalītu SWNT agregātus, neradot būtisku atsevišķo nanocaurulīšu lūšanu (Huang, Terentjev 2012).
- Atsevišķi disperģētas CNT
- Homogēns sadalījums
- Augsta disperģēšanas efektivitāte
- Augsts CNT saturs
- Bez CNT degradācijas
- Ātra apstrāde
- Precīza procesa kontrole
UIP2000hdT – jaudīgs 2kW ultraskaņas apstrādes aparāts CNT dispersijām
Augstas veiktspējas ultraskaņas sistēmas CNT dispersijām
Hielscher Ultrasonics piegādā jaudīgas un uzticamas ultraskaņas iekārtas efektīvai CNT disperģēšanai. Neatkarīgi no tā, vai jums jāsagatavo nelieli CNT paraugi analīzei un pētniecībai un izstrādei vai jāsaražo lielas rūpnieciskas dispersiju partijas, Hielscher produktu klāsts piedāvā jūsu prasībām ideāli piemērotu ultraskaņas sistēmu. No 50W ultraskaņas apstrādes aparātiem laboratorijai līdz pat 16kW rūpnieciskām ultraskaņas iekārtām komerciālai ražošanai – Hielscher Ultrasonics nodrošina jums vajadzīgo risinājumu.
Lai ražotu augstas kvalitātes oglekļa nanocaurulīšu dispersijas, procesa parametri ir rūpīgi jākontrolē. Amplitūda, temperatūra, spiediens un uzturēšanās laiks ir vissvarīgākie parametri vienmērīgam CNT sadalījumam. Hielscher ultraskaņas apstrādes aparāti ne tikai ļauj precīzi kontrolēt katru parametru, bet arī automātiski reģistrē visus procesa parametrus Hielscher digitālo ultraskaņas sistēmu integrētajā SD kartē. Katra ultraskaņas apstrādes procesa protokols palīdz nodrošināt reproducējamus rezultātus un nemainīgu kvalitāti. Izmantojot attālinātu vadību pārlūkprogrammā, lietotājs var darbināt un uzraudzīt ultraskaņas ierīci, neatrodoties ultraskaņas sistēmas uzstādīšanas vietā.
Tā kā viensieniņas oglekļa nanocaurulītēm (SWNT) un daudzsieniņu oglekļa nanocaurulītēm (MWNT), kā arī izvēlētajai ūdens vai šķīdinātāja videi nepieciešama specifiska apstrādes intensitāte, ultraskaņas amplitūda ir būtisks galaproduktu ietekmējošs faktors. Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori var nodrošināt gan ļoti lielas, gan ļoti mazas amplitūdas. Nosakiet sava procesa prasībām ideāli piemērotu amplitūdu. Pat ar amplitūdām līdz 200µm var viegli nodrošināt nepārtrauktu darbību 24/7 režīmā. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes. Hielscher ultraskaņas iekārtu robustums ļauj nodrošināt darbību 24/7 režīmā ar lielu slodzi un prasīgos vides apstākļos.
Mūsu klienti ir apmierināti ar Hielscher Ultrasonic sistēmu izcilo robustumu un uzticamību. To uzstādīšana lietojumos ar lielu slodzi, prasīgos vides apstākļos un darbībai 24/7 režīmā nodrošina efektīvu un ekonomisku apstrādi. Procesa intensificēšana ar ultraskaņu saīsina apstrādes laiku un ļauj sasniegt labākus rezultātus, t. i., augstāku kvalitāti, lielāku iznākumu un inovatīvus produktus.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes aparātu aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 0,5 līdz 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lielāks | iekārtu grupa: UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Uzdodiet mums jautājumus!
Lieljaudas ultraskaņas procesori laboratorijas, pilotiekārtu un rūpnieciskam mērogam.
Literatūra / Atsauces
- 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.
Noderīga informācija
Kas ir oglekļa nanocaurulītes
Oglekļa nanocaurulītes (CNT) pieder īpašai viendimensionālu oglekļa materiālu klasei, kam piemīt izcilas mehāniskās, elektriskās, termiskās un optiskās īpašības. Tās ir būtiska sastāvdaļa, ko izmanto progresīvu nanomateriālu, piemēram, nanokompozītu, stiegrotu polimēru u. c., izstrādē un ražošanā, tāpēc tās izmanto vismodernākajās tehnoloģijās. CNT piemīt ļoti augsta stiepes izturība, izcilas siltumpārneses īpašības, mazs aizliegtās zonas platums un optimāla ķīmiskā un fizikālā stabilitāte, tāpēc nanocaurulītes ir daudzsološa piedeva dažādiem materiāliem.
Atkarībā no struktūras CNT iedala viensieniņas oglekļa nanocaurulītēs (SWNT), divsieniņu oglekļa nanocaurulītēs (DWCNT) un daudzsieniņu oglekļa nanocaurulītēs (MWNT).
SWNT ir dobas, garas cilindriskas caurulītes ar vienu atomu biezu oglekļa sieniņu. Oglekļa atomu slānis ir sakārtots šūnveida režģī. Bieži tās konceptuāli salīdzina ar sarullētām vienslāņa grafīta vai grafēna loksnēm.
DWCNT sastāv no divām viensieniņas nanocaurulītēm, no kurām viena ir ievietota otrā.
MWNT ir CNT forma, kurā vairākas viensieniņas oglekļa nanocaurulītes ir ievietotas cita citā. Tā kā to diametrs ir 3–30 nm un tās var izaugt vairākus cm garas, to garuma un diametra attiecība var svārstīties no 10 līdz desmit miljoniem. Salīdzinājumā ar oglekļa nanošķiedrām MWNT ir atšķirīga sieniņu struktūra, mazāks ārējais diametrs un dobs iekšējais tilpums. Bieži izmantoti rūpnieciski pieejami MWNT veidi ir, piemēram, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 un FutureCarbon CNT-MW.
CNT sintēze: CNT var ražot, izmantojot plazmas sintēzes metodi vai iztvaicēšanu loka izlādē, lāzerablācijas metodi, termiskās sintēzes procesu, ķīmisko tvaiku nogulsnēšanu (CVD) vai ar plazmu pastiprinātu ķīmisko tvaiku nogulsnēšanu.
CNT funkcionalizēšana: Lai uzlabotu oglekļa nanocaurulīšu īpašības un tādējādi padarītu tās piemērotākas konkrētam lietojumam, CNT bieži funkcionalizē, piemēram, pievienojot karbonskābes (-COOH) vai hidroksilgrupas (-OH).
CNT disperģēšanas piedevas
Daži šķīdinātāji, piemēram, superskābes, jonu šķidrumi un N-cikloheksil-2-pirolidons, ļauj sagatavot relatīvi augstas koncentrācijas CNT dispersijas, savukārt visbiežāk izmantotie nanocaurulīšu šķīdinātāji, piemēram, N-metil-2-pirolidons (NMP), dimetilformamīds (DMF) un 1,2-dihlorbenzols, var disperģēt nanocaurulītes tikai ļoti zemās koncentrācijās (piemēram, parasti <0,02 wt% viensieniņas CNT). Visbiežāk izmantotie disperģenti ir polivinilpirolidons (PVP), nātrija dodecilbenzolsulfonāts (SDBS), Triton 100 vai nātrija dodecilsulfonāts (SDS).
Krezoli ir rūpniecisko ķīmisko vielu grupa, kas ļauj apstrādāt CNT koncentrācijās līdz pat vairākiem desmitiem masas procentu, palielinoties CNT saturam, radot nepārtrauktu pāreju no atšķaidītām dispersijām, biezām pastām un pašnesošiem gēliem līdz vēl nebijušam veidošanas masai līdzīgam stāvoklim. Šiem stāvokļiem piemīt polimēriem līdzīgas reoloģiskās un viskoelastīgās īpašības, kuras nav iespējams sasniegt ar citiem parastajiem šķīdinātājiem, un tas liecina, ka nanocaurulītes krezolos patiešām ir deagregētas un smalki disperģētas. Pēc apstrādes krezolus var noņemt, karsējot vai mazgājot, nemainot CNT virsmu. [Chiou et al. 2018]
CNT dispersiju lietojumi
Lai izmantotu CNT priekšrocības, tās ir jādisperģē šķidrumā, piemēram, polimēros. Vienmērīgi disperģētas CNT izmanto vadītspējīgu plastmasu, šķidro kristālu displeju, organisko gaismas diožu, skārienekrānu, lokanu displeju, saules bateriju, vadītspējīgu tinšu, statiskās elektrības kontroles materiālu, tostarp plēvju, putu, šķiedru un audumu, polimēru pārklājumu un līmju, augstas veiktspējas polimēru kompozītu ar izcilu mehānisko izturību un sīkstumu, polimēru/CNT kompozītšķiedru, kā arī vieglu un antistatisku materiālu ražošanā.
Kādas ir oglekļa formas?
Ogleklis pastāv vairākās alotropiskās formās, tostarp:
- Kristāliskās formas: dimants, grafīts, grafēns, oglekļa nanocaurulītes (CNT), fullerēni (piemēram, C₆₀).
- Amorfās formas: kokogle, sodrēji, tehniskais ogleklis, stiklveida ogleklis, dimantam līdzīgs ogleklis (DLC), vienslāņa amorfais ogleklis (MAC).
- Hibrīdās nanostruktūras: nanodimanti, sīpolveida oglekļa nanostruktūras, oglekļa aerogēli un kompozīti, piemēram, nanooglekļa un metālu hibrīdi.
Katrai formai piemīt atšķirīgas fizikāli ķīmiskās īpašības, kas ir nozīmīgas lietojumiem materiālzinātnē, elektronikā un enerģijas uzkrāšanā.