Gelijkmatig gedispergeerde CNTs door ultrasoonbehandeling

Om de uitzonderlijke functionaliteiten van koolstofnanobuisjes (CNTs) te benutten, moeten ze homogeen worden gedispergeerd.
Ultrasone dispergeerapparaten zijn het meest gebruikte hulpmiddel om CNTs in waterige suspensies en suspensies op basis van oplosmiddelen te verdelen.
De ultrasone dispergeertechnologie genereert voldoende hoge afschuifenergie om CNTs volledig van elkaar te scheiden zonder ze te beschadigen.

Ultrasoon dispergeren van koolstofnanobuisjes

Koolstofnanobuisjes (CNTs) hebben een zeer hoge lengte-diameterverhouding en vertonen een lage dichtheid en een enorm specifiek oppervlak (enkele honderden m2/g), waardoor ze unieke eigenschappen hebben zoals een zeer hoge treksterkte, stijfheid en taaiheid en een zeer hoge elektrische en thermische geleidbaarheid. Door vanderwaalskrachten, die de afzonderlijke koolstofnanobuisjes (CNTs) naar elkaar toe trekken, vormen CNTs doorgaans bundels of kluwens. Deze intermoleculaire aantrekkingskrachten zijn gebaseerd op een stapelingsfenomeen van π-bindingen tussen aangrenzende nanobuisjes, dat bekendstaat als π-stapeling. Om de voordelen van koolstofnanobuisjes volledig te benutten, moeten deze agglomeraten worden ontward en moeten de CNTs gelijkmatig worden verdeeld in een homogene dispersie. Intensieve ultrasoonbehandeling veroorzaakt akoestische cavitatie in vloeistoffen. De daarbij gegenereerde lokale afschuifspanning breekt CNT-aggregaten op en dispergeert ze gelijkmatig in een homogene suspensie. De ultrasone dispergeertechnologie genereert voldoende hoge afschuifenergie om CNTs volledig van elkaar te scheiden zonder ze te beschadigen. Zelfs bij de gevoelige SWNTs wordt sonicatie met succes toegepast om ze afzonderlijk te ontwarren. Ultrasoonbehandeling levert precies voldoende spanning om de SWNT-aggregaten van elkaar te scheiden zonder veel breuken in afzonderlijke nanobuisjes te veroorzaken (Huang, Terentjev 2012).

Voordelen van ultrasone CNT-dispersie

Afzonderlijk gedispergeerde CNTs
Homogene verdeling
Hoge dispergeerefficiëntie
Hoge CNT-gehalten
Geen degradatie van CNTs
Snelle verwerking
Nauwkeurige procesregeling

Ultrasoon gesynthetiseerde nanovloeistoffen zijn efficiënte koelmiddelen en warmteoverdrachtsvloeistoffen. Warmtegeleidende nanomaterialen verhogen de capaciteit voor warmteoverdracht en warmteafvoer aanzienlijk. Sonicatie is een gevestigde methode voor de synthese en functionalisering van warmtegeleidende nanodeeltjes en voor de productie van stabiele, hoogwaardige nanovloeistoffen voor koeltoepassingen.

Ultrasone systemen met hoge prestaties voor CNT-dispersies

Hielscher Ultrasonics levert krachtige en betrouwbare ultrasone apparatuur voor het efficiënt dispergeren van CNTs. Of u nu kleine CNT-monsters moet voorbereiden voor analyse en R&D of grote industriële partijen bulkdispersies moet produceren, het productassortiment van Hielscher biedt het ideale ultrasone systeem voor uw behoeften. Van sonicatoren van 50W voor het laboratorium tot industriële ultrasone units van 16kW voor commerciële productie, Hielscher Ultrasonics biedt u de juiste oplossing.
Om hoogwaardige dispersies van koolstofnanobuisjes te produceren, moeten de procesparameters goed worden beheerst. Amplitude, temperatuur, druk en verblijftijd zijn de meest kritische parameters voor een gelijkmatige CNT-verdeling. De sonicatoren van Hielscher maken niet alleen een nauwkeurige regeling van elke parameter mogelijk, maar alle procesparameters worden ook automatisch vastgelegd op de geïntegreerde SD-kaart van de digitale ultrasone systemen van Hielscher. Het logbestand van elk sonicatieproces helpt reproduceerbare resultaten en een constante kwaliteit te waarborgen. Via bediening op afstand met een browser kan de gebruiker het ultrasone apparaat bedienen en bewaken zonder op de locatie van het ultrasone systeem aanwezig te zijn.
Omdat enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWNTs) en meerwandige koolstofnanobuisjes (MWNTs), evenals het gekozen waterige medium of oplosmiddel, specifieke verwerkingsintensiteiten vereisen, is de ultrasone amplitude een belangrijke factor voor het eindproduct. De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zowel zeer hoge als zeer geringe amplitudes leveren. Bepaal de ideale amplitude voor uw procesvereisten. Zelfs amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast tijdens 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. Dankzij de robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher is 24/7-bedrijf onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
Onze klanten zijn tevreden over de uitzonderlijke robuustheid en betrouwbaarheid van de systemen van Hielscher Ultrasonic. De installatie voor toepassingen met zware belasting, veeleisende omgevingen en 24/7-bedrijf zorgt voor een efficiënte en economische verwerking. Ultrasone procesintensivering verkort de verwerkingstijd en levert betere resultaten op, oftewel een hogere kwaliteit, hogere opbrengsten en innovatieve producten.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:

Batchvolume	Debiet	Aanbevolen apparaten
0,5 tot 1,5mL	n.v.t.	VialTweeter
1 tot 500mL	10 tot 200mL/min	UP100H
10 tot 2000mL	20 tot 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 tot 20L	0,2 tot 4L/min	UIP2000hdT
10 tot 100L	2 tot 10L/min	UIP4000hdT
n.v.t.	10 tot 100L/min	UIP16000
n.v.t.	hoger	cluster van UIP16000

Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!

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

Verwante onderwerpen

Literatuur / Referenties

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.

Wetenswaardigheden

Wat zijn koolstofnanobuisjes

Koolstofnanobuisjes (CNTs) behoren tot een speciale klasse van eendimensionale koolstofmaterialen met uitzonderlijke mechanische, elektrische, thermische en optische eigenschappen. Ze zijn een belangrijk bestanddeel bij de ontwikkeling en productie van geavanceerde nanomaterialen zoals nanocomposieten, versterkte polymeren enz. en worden daarom gebruikt in de modernste technologieën. CNTs vertonen een zeer hoge treksterkte, superieure warmteoverdrachtseigenschappen, kleine bandkloven en een optimale chemische en fysische stabiliteit, waardoor nanobuisjes een veelbelovend additief voor uiteenlopende materialen zijn.
Afhankelijk van hun structuur worden CNTS onderverdeeld in enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWNTs), dubbelwandige koolstofnanobuisjes (DWCNTs) en meerwandige koolstofnanobuisjes (MWNTs).
SWNTs zijn holle, lange cilindrische buisjes met een koolstofwand van één atoom dik. Het atomaire vel van koolstofatomen is gerangschikt in een honingraatrooster. Conceptueel worden ze vaak vergeleken met opgerolde vellen van enkellaags grafiet of grafeen.
DWCNTs bestaan uit twee enkelwandige nanobuisjes, waarbij het ene binnen het andere ligt.
MWNTs zijn een vorm van CNTs waarbij meerdere enkelwandige koolstofnanobuisjes binnen elkaar liggen. Omdat hun diameter varieert tussen 3–30 nm en ze enkele cm lang kunnen worden, kan hun lengte-diameterverhouding variëren tussen 10 en tien miljoen. Vergeleken met koolstofnanovezels hebben MWNTs een andere wandstructuur, een kleinere buitendiameter en een holle binnenruimte. Veelgebruikte industrieel verkrijgbare typen MWNTs zijn bijvoorbeeld Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 en FutureCarbon CNT-MW.
Synthese van CNTs: CNTs kunnen worden geproduceerd met een synthesemethode op basis van plasma, een verdampingsmethode met boogontlading, een laserablatiemethode, een thermisch syntheseproces, chemische dampafzetting (CVD) of plasmaondersteunde chemische dampafzetting.
Functionalisering van CNTs: Om de eigenschappen van koolstofnanobuisjes te verbeteren en ze daarmee geschikter te maken voor een specifieke toepassing, worden CNTs vaak gefunctionaliseerd, bijvoorbeeld door carboxylzuurgroepen (-COOH) of hydroxylgroepen (-OH) toe te voegen.

Additieven voor het dispergeren van CNTs

Met enkele oplosmiddelen, zoals superzuren, ionische vloeistoffen en N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, kunnen CNT-dispersies met relatief hoge concentraties worden bereid, terwijl de meest gebruikte oplosmiddelen voor nanobuisjes, zoals N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), dimethylformamide (DMF) en 1,2-dichrolobenzene, nanobuisjes alleen bij zeer lage concentraties kunnen dispergeren (bijvoorbeeld doorgaans <0,02 wt% enkelwandige CNTs). De meest gebruikte dispergeermiddelen zijn polyvinylpyrrolidon (PVP), natriumdodecylbenzeensulfonaat (SDBS), Triton 100 of natriumdodecylsulfonaat (SDS).
Cresolen zijn een groep industriële chemicaliën waarmee CNTs kunnen worden verwerkt bij concentraties tot tientallen gewichtsprocenten. Naarmate het CNT-gehalte toeneemt, resulteert dit in een continue overgang van verdunde dispersies via dikke pasta’s en vrijstaande gels naar een ongekende toestand die op speelklei lijkt. Deze toestanden vertonen polymeerachtige reologische en visco-elastische eigenschappen die met andere gangbare oplosmiddelen niet kunnen worden bereikt, wat erop wijst dat de nanobuisjes inderdaad zijn gedeaggregeerd en fijn zijn gedispergeerd in cresolen. Cresolen kunnen na de verwerking worden verwijderd door verwarmen of wassen, zonder het oppervlak van CNTs te veranderen. [Chiou et al. 2018]

Toepassingen van CNT-dispersies

Om de voordelen van CNTs te benutten, moeten ze worden gedispergeerd in een vloeistof zoals een polymeer. Gelijkmatig gedispergeerde CNTs worden gebruikt voor de productie van geleidende kunststoffen, lcd-schermen, organische lichtemitterende dioden, aanraakschermen, flexibele beeldschermen, zonnecellen, geleidende inkten, materialen voor het beheersen van statische elektriciteit, waaronder folies, schuimen, vezels en weefsels, polymeercoatings en lijmen, polymeercomposieten met hoge prestaties en uitzonderlijke mechanische sterkte en taaiheid, composietvezels van polymeren en CNTs, evenals lichtgewicht en antistatische materialen.

Welke vormen van koolstof zijn er?
Koolstof komt voor in verschillende allotropen, waaronder:

Kristallijne vormen: diamant, grafiet, grafeen, koolstofnanobuisjes (CNTs), fullerenen (bijvoorbeeld C₆₀).
Amorfe vormen: houtskool, roet, carbon black, glasachtige koolstof, diamantachtige koolstof (DLC), amorfe koolstof in een monolaag (MAC).
Hybride nanostructuren: nanodiamanten, koolstofuien, koolstofaerogels en composieten zoals hybriden van nanokoolstof en metaal.

Elke vorm vertoont specifieke fysisch-chemische eigenschappen die relevant zijn voor toepassingen in de materiaalkunde, elektronica en energieopslag.