Ultrasoon dispergeren van koolstofnanobuisjes (CNT)

Koolstofnanobuisjes zijn sterk en flexibel, maar vertonen een zeer sterke onderlinge samenhang. Ze zijn moeilijk te dispergeren in vloeistoffen zoals water, ethanol, olie, polymeer of epoxyhars. Ultrasoon geluid is een effectieve methode om afzonderlijke – individueel gedispergeerde – koolstofnanobuisjes te verkrijgen.

Koolstofnanobuisjes (CNT) worden gebruikt in lijmen, coatings en polymeren en als elektrisch geleidende vulstoffen in kunststoffen om statische ladingen af te voeren in elektrische apparatuur en in elektrostatisch lakbare carrosseriepanelen. Door het gebruik van nanobuisjes kunnen polymeren beter bestand worden gemaakt tegen temperaturen, agressieve chemicaliën, corrosieve omgevingen, extreme drukken en slijtage. Er zijn twee categorieën koolstofnanobuisjes: enkelwandige nanobuisjes (SWNT) en meerwandige nanobuisjes (MWNT).

Koolstofnanobuisjes zijn doorgaans verkrijgbaar als droog materiaal, bijvoorbeeld bij bedrijven zoals SES Research of CNT Co., Ltd. Een eenvoudig, betrouwbaar en schaalbaar proces voor deagglomeratie is nodig om het potentieel van de nanobuisjes maximaal te benutten. Voor vloeistoffen tot 100.000cP is ultrasoon geluid een zeer effectieve technologie voor het dispergeren van nanobuisjes in water, olie of polymeren bij lage of hoge concentraties. De vloeistofstralen die ontstaan door ultrasone cavitatie, overwinnen de bindingskrachten tussen de nanobuisjes en scheiden de buisjes van elkaar. Door de ultrasoon opgewekte afschuifkrachten en microturbulenties kan ultrasoon geluid ook bijdragen aan het aanbrengen van een oppervlaktecoating op nanobuisjes en aan hun chemische reactie met andere materialen.

Doorgaans wordt een grove dispersie van nanobuisjes eerst voorgemengd met een standaardroerder en vervolgens gehomogeniseerd in de ultrasone doorstroomcelreactor. De onderstaande video toont een laboratoriumproef (batchsonicatie met een UP400S) waarbij meerwandige koolstofnanobuisjes bij een lage concentratie in water worden gedispergeerd. Vanwege de chemische aard van koolstof is het dispergeren van nanobuisjes in water vrij moeilijk. Zoals in de video te zien is, kan eenvoudig worden aangetoond dat sonicatie nanobuisjes effectief kan dispergeren.

Ultrasoon dispergeren van koolstofnanobuisjes: het Hielscher ultrasoonapparaat UP400S (400W) dispergeert en ontwart CNT's snel en efficiënt tot afzonderlijke nanobuisjes.

Dispersie van lange, afzonderlijke SWNT’s

Een groot probleem bij de verwerking en manipulatie van SWNT’s is de inherente onoplosbaarheid van de buisjes in gangbare organische oplosmiddelen en water. Functionalisering van de zijwand of de open uiteinden van de nanobuisjes om een geschikt grensvlak tussen de SWNT’s en het oplosmiddel te creëren, leidt meestal slechts tot het gedeeltelijk uiteenvallen van de touwachtige SWNT-bundels.
Als gevolg hiervan worden SWNT’s doorgaans als bundels gedispergeerd in plaats van als volledig geïsoleerde, afzonderlijke objecten. Wanneer tijdens het dispergeren te agressieve omstandigheden worden toegepast, worden de SWNT’s verkort tot lengtes tussen 80 en 200nm. Hoewel dit nuttig is voor bepaalde tests, is deze lengte te klein voor de meeste praktische toepassingen, zoals halfgeleidende of versterkende SWNT’s. Een gecontroleerde, milde ultrasone behandeling (bijvoorbeeld met een UP200Ht met een sonotrode van 40mm) is een effectieve procedure om waterige dispersies van lange, afzonderlijke SWNT’s te bereiden. Reeksen milde sonicatiebehandelingen minimaliseren de verkorting en maken maximaal behoud van de structurele en elektronische eigenschappen mogelijk.

Zuivering van SWNT met polymeerondersteunde sonicatie

Het is moeilijk om de chemische modificatie van SWNT’s op moleculair niveau te bestuderen, omdat het moeilijk is om zuivere SWNT’s te verkrijgen. SWNT’s zoals ze na de groei worden verkregen, bevatten veel onzuiverheden, zoals metaaldeeltjes en amorfe koolstof. Sonicatie van SWNT’s in een oplossing van poly(methylmethacrylaat) PMMA in monochloorbenzeen (MCB), gevolgd door filtratie, is een effectieve manier om SWNT’s te zuiveren. Met deze polymeerondersteunde zuiveringsmethode kunnen onzuiverheden effectief worden verwijderd uit SWNT’s zoals ze na de groei worden verkregen. (Yudasaka et al.) Nauwkeurige regeling van de sonicatieamplitude maakt het mogelijk om schade aan de SWNT’s te beperken.

Hielscher: een breed assortiment ultrasone apparaten en accessoires voor het efficiënt dispergeren van nanobuisjes.

• Compacte laboratoriumapparaten met maximaal 400 watt ultrasoon vermogen voor het dispergeren in kleinere volumes tot 2 liter
• UIP500hdT, UIP1000hdT en UIP1500hdT zijn ultrasone processoren die grotere volumes kunnen verwerken.
• Ultrasone systemen van 2kW (UIP2000hdT) en 4kW (UIP4000hdT) kunnen worden gebruikt voor het dispergeren van koolstofnanobuisjes op productieschaal. De UIP10000 (10 kilowatt) en de UIP16000 (16 kilowatt) kunnen worden gebruikt in clusters van meerdere afzonderlijke eenheden voor grootschalige verwerking van koolstofnanobuisjes.”

Literatuur

• 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.