Hoe enkelwandige koolstofnanobuizen afzonderlijk te dispergeren
Enkelwandige koolstofnanobuizen (SWNT's of SWCNT's) hebben unieke eigenschappen, maar om die tot uiting te laten komen, moeten ze individueel gedispergeerd worden. Om de uitzonderlijke eigenschappen van enkelwandige koolstofnanobuizen ten volle te benutten, moeten de buisjes zo volledig mogelijk ontward worden. SWNT's vertonen net als andere nanodeeltjes zeer hoge aantrekkingskrachten, zodat een krachtige en efficiënte techniek nodig is voor een betrouwbare deagglomeratie en dispersie. Terwijl gewone mengtechnieken niet de intensiteit leveren die nodig is om SWNTs te ontwarren zonder ze te beschadigen, is bewezen dat ultrasone technieken met een hoog vermogen SWCNTs ontwarren en dispergeren. Ultrasoon gegenereerde cavitatiescheerkrachten zijn krachtig genoeg om de hechtingskrachten te overwinnen, terwijl de ultrasone intensiteit nauwkeurig kan worden aangepast om beschadiging van de SWCNTs te voorkomen.
Probleem:
Enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNTs) verschillen van meerwandige koolstofnanobuizen (MWNTs/ MWCNTs) door hun elektrische eigenschappen. De bandkloof van SWCNTs kan variëren van nul tot 2 eV en hun elektrische geleidbaarheid wordt gekenmerkt door metallisch of halfgeleidend gedrag. Omdat enkelwandige koolstofnanobuizen zeer cohesief zijn, is een van de grootste obstakels bij het verwerken van SWCNTs de inherente onoplosbaarheid van de buizen in organische oplosmiddelen of water. Om het volledige potentieel van SWCNTs te benutten, is een eenvoudig, betrouwbaar en schaalbaar deagglomeratieproces van de buisjes nodig. Vooral de functionalisatie van de CNT zijwanden of open uiteinden om een geschikte interface te creëren tussen de SWCNTs en het organische oplosmiddel resulteert in slechts gedeeltelijke exfoliatie van de SWCNTs. Daarom worden de SWCNTs meestal gedispergeerd als bundels in plaats van als individuele gedesagglomereerde touwen. Als de omstandigheden tijdens de dispersie te streng zijn, zullen de SWCNTs verkorten tot lengtes tussen 80 en 200 nm. Voor de meeste praktische toepassingen, d.w.z. voor halfgeleidende of versterkende SWCNTs, is deze lengte te klein.

UIP2000hdTeen 2kW krachtige ultrasoon om SWCNTs te dispergeren.
Oplossing:
Ultrasoon geluid is een zeer effectieve methode voor het dispergeren en deagglomereren van koolstofnanobuizen, omdat ultrasone golven met een hoge intensiteit cavitatie genereren in vloeistoffen. De geluidsgolven die zich voortplanten in het vloeibare medium resulteren in afwisselend hoge-druk (compressie) en lage-druk (rarefactie) cycli, met snelheden die afhankelijk zijn van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de belletjes een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen absorberen, storten ze heftig in elkaar tijdens een hogedrukcyclus. Dit fenomeen wordt cavitatie genoemd. Tijdens de implosie worden plaatselijk zeer hoge temperaturen (ongeveer 5.000 K) en drukken (ongeveer 2.000 atm) bereikt. De implosie van de cavitatiebel resulteert ook in vloeistofstralen met een snelheid tot 280 m/s. Deze vloeistofstromen die ontstaan door ultrasone cavitatiede bindingskrachten tussen de koolstofnanobuizen overwinnen, waardoor de nanobuizen uiteenvallen. Een milde, gecontroleerde ultrasone behandeling is een geschikte methode om met oppervlakteactieve stoffen gestabiliseerde suspensies van gedispergeerde SWCNTs met een hoge lengte te maken. Voor de gecontroleerde productie van SWCNTs kunnen Hielscher's ultrasoonprocessoren worden gebruikt met een groot aantal verschillende ultrasoonparameters. De ultrasone amplitude, vloeistofdruk en vloeistofsamenstelling kunnen worden aangepast aan het specifieke materiaal en proces. Dit biedt variabele instelmogelijkheden, zoals
- sonotrode-amplitudes tot 170 micron
- vloeistofdrukken tot 10 bar
- vloeistofdebieten tot 15L/min (afhankelijk van het proces)
- vloeistoftemperaturen tot 80 degC (andere temperaturen op aanvraag)
- materiaalviscositeit tot 100.000cp
Ultrasone apparatuur
Hielscher biedt hoge prestaties ultrasone processors voor de sonificatie van elk volume. Ultrasone apparaten van 50 watt tot 16.000 watt, die in clusters kunnen worden opgesteld, maken het mogelijk om voor elke toepassing de juiste ultrasoon te vinden, zowel in het laboratorium als in de industrie. Voor de verfijnde dispersie van nanobuisjes wordt een continue sonicatie aanbevolen. Met Hielscher's flowcellen wordt het mogelijk om CNT's te dispergeren in vloeistoffen met een verhoogde viscositeit, zoals polymeren, smeltstoffen met een hoge viscositeit en thermoplasten.
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!

Ultrasoon dispergeren van nanobuisjes (UP400St)

CNT's verspreiden met Hielschers laboratoriumapparaat UP50H

Ultrasoon systeem met hoge prestaties! Het productassortiment van Hielscher bestrijkt het volledige spectrum van compacte laboratorium-ultrasoneersystemen over werkbankmodellen tot volledig industriële ultrasone systemen.
Literatuur / Referenties
- Cheng, Qiaohuan; Debnath, Sourabhi; Gregan, Elizabeth; Byrne, Hugh J. (2010): Ultrasound-Assisted SWNTs Dispersion: Effects of Sonication Parameters and Solvent Properties. The Journal of Physical Chemistry C, 114(19), 2010. 8821–8827.
- Tenent, Robert; Barnes, Teresa; Bergeson, Jeremy; Ferguson, Andrew; To, Bobby; Gedvilas, Lynn; Heben, Michael; Blackburn, Jeffrey (2009): Ultrasmooth, Large‐Area, High‐Uniformity, Conductive Transparent Single‐Walled‐Carbon‐Nanotube Films for Photovoltaics Produced by Ultrasonic Spraying. Advanced Materials. 21. 3210 – 3216.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
Wetenswaardigheden
Ultrasone apparaten worden vaak aangeduid als sonde-sonicator, ultrasone homogenisator, sonische lyser, ultrasone disruptor, ultrasone slijper, sono-ruptor, sonifier, sonische dismembrator, celontstopper, ultrasone dispergeerder of oplosser. De verschillende termen komen voort uit de verschillende toepassingen die sonicatie kan vervullen.