Hoe u enkelwandige koolstofnanobuizen afzonderlijk dispergeert

Enkelwandige koolstofnanobuizen (SWNTs of SWCNTs) hebben unieke eigenschappen, maar om deze tot uiting te laten komen, moeten ze afzonderlijk worden gedispergeerd. Om de uitzonderlijke eigenschappen van enkelwandige koolstofnanobuizen volledig te benutten, moeten de buizen zo volledig mogelijk worden ontward. Net als andere nanodeeltjes vertonen SWNTs zeer sterke aantrekkingskrachten, waardoor een krachtige en efficiënte techniek nodig is voor betrouwbare deagglomeratie en dispersie. Terwijl gangbare mengtechnieken niet de intensiteit bieden die nodig is om SWNTs te ontwarren zonder ze te beschadigen, is aangetoond dat krachtige ultrasone technologie SWCNTs ontwart en dispergeert. Ultrasoon opgewekte afschuifkrachten door cavitatie zijn krachtig genoeg om de bindingskrachten 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) in hun elektrische eigenschappen. De bandkloof van SWCNTs kan variëren van nul tot 2 eV en hun elektrische geleidbaarheid vertoont metallisch of halfgeleidend gedrag. Omdat enkelwandige koolstofnanobuizen sterk samenhangen, is de inherente onoplosbaarheid van de buizen in organische oplosmiddelen of water een van de belangrijkste obstakels bij de verwerking van SWCNTs. Om het volledige potentieel van SWCNTs te benutten, is een eenvoudig, betrouwbaar en schaalbaar deagglomeratieproces voor de buizen nodig. Met name de functionalisering van de zijwanden of open uiteinden van CNTs om een geschikt grensvlak tussen de SWCNTs en het organische oplosmiddel te creëren, leidt slechts tot gedeeltelijke exfoliatie van de SWCNTs. Daarom worden SWCNTs meestal als bundels gedispergeerd in plaats van als afzonderlijke gedeagglomereerde strengen. Als de omstandigheden tijdens de dispersie te intensief zijn, worden de SWCNTs verkort tot lengtes tussen 80 en 200nm. Voor de meeste praktische toepassingen, dat wil zeggen voor halfgeleidende of versterkende SWCNTs, is deze lengte te klein.

Oplossing:

Sonicatie is een zeer effectieve methode voor het dispergeren en deagglomereren van koolstofnanobuizen, omdat ultrasone golven met hoge intensiteit cavitatie in vloeistoffen opwekken. De geluidsgolven die zich door de vloeibare media voortplanten, leiden tot afwisselende cycli van hoge druk (compressie) en lage druk (verdunning), met een herhalingssnelheid die afhankelijk is van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de bellen een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen opnemen, storten ze tijdens een hogedrukcyclus heftig in. Dit verschijnsel wordt cavitatie genoemd. Tijdens de implosie worden plaatselijk zeer hoge temperaturen (ca. 5.000K) en drukken (ca. 2.000atm) bereikt. De implosie van de cavitatiebel veroorzaakt ook vloeistofstralen met snelheden tot 280m/s. Deze vloeistofstralen, die ontstaan door ultrasone cavitatie, overwinnen de bindingskrachten tussen de koolstofnanobuizen, waardoor de nanobuizen worden gedeagglomereerd. Een milde, gecontroleerde ultrasone behandeling is een geschikte methode om met oppervlakteactieve stoffen gestabiliseerde suspensies van gedispergeerde SWCNTs met een grote lengte te creëren. Voor de gecontroleerde productie van SWCNTs maken de ultrasone processoren van Hielscher het mogelijk om met een breed scala aan combinaties van ultrasone parameters te werken. De ultrasone amplitude, vloeistofdruk en vloeistofsamenstelling kunnen worden aangepast aan het specifieke materiaal en proces. Dit biedt diverse instelmogelijkheden, zoals

• sonotrodeamplitudes tot 170 micron
• vloeistofdrukken tot 10 bars
• vloeistofdebieten tot 15L/min (afhankelijk van het proces)
• vloeistoftemperaturen tot 80 degC (andere temperaturen op aanvraag)
• materiaalviscositeit tot 100.000cp

 

Bovendien maakt sonicatie als zuiveringsmethode met behulp van een polymeer het mogelijk om onzuiverheden effectief uit SWCNTs te verwijderen zoals die na het groeiproces zijn verkregen. Het is moeilijk om de chemische modificatie van SWCNTs op moleculair niveau te bestuderen, omdat het moeilijk is om zuivere SWNTs te verkrijgen. SWCNTs zoals die na het groeiproces zijn verkregen, bevatten veel onzuiverheden, zoals metaaldeeltjes en amorfe koolstof. Sonicatie van SWCNTs in een oplossing van poly(methylmethacrylaat) PMMA in monochloorbenzeen (MCB), gevolgd door filtratie, is een effectieve manier om SWCNTs te zuiveren. Deze zuiveringsmethode met behulp van een polymeer maakt het mogelijk om onzuiverheden effectief uit SWCNTs te verwijderen zoals die na het groeiproces zijn verkregen. Nauwkeurige regeling van de sonicatieamplitude maakt het mogelijk om beschadiging van de SWCNTs te voorkomen of te beperken.

Ultrasone apparatuur

Hielscher biedt met hoge prestaties werkende ultrasone processoren voor de sonicatie 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 geschikte ultrasone apparatuur te vinden, zowel in het laboratorium als in de industrie. Voor de geavanceerde dispersie van nanobuizen wordt continue sonicatie aanbevolen. Met de doorstroomcellen van Hielscher wordt het mogelijk om CNTs te dispergeren in vloeistoffen met een verhoogde viscositeit, zoals polymeren, smelten met hoge viscositeit en thermoplasten.

Klik hier om meer te lezen over de dispersie en modificatie van nanobuizen met krachtig ultrageluid!