Jak zdyspergować pojedyncze nanorurki węglowe?

Jednościenne nanorurki węglowe (SWNT lub SWCNT) mają unikalne właściwości, ale aby je wyrazić, muszą być indywidualnie rozproszone. Aby w pełni wykorzystać wyjątkowe właściwości jednościennych nanorurek węglowych, należy je całkowicie rozdzielić. SWNT, podobnie jak inne nanocząstki, wykazują bardzo duże siły przyciągania, więc do niezawodnej deaglomeracji i dyspersji potrzebna jest wydajna i skuteczna technika. Podczas gdy powszechne techniki mieszania nie zapewniają intensywności potrzebnej do rozplątania SWNT bez ich uszkodzenia, udowodniono, że ultradźwięki o dużej mocy rozplątują i rozpraszają SWCNT. Generowane ultradźwiękowo kawitacyjne siły ścinające są wystarczająco silne, aby przezwyciężyć siły wiązania, podczas gdy intensywność ultradźwięków można dokładnie regulować, aby uniknąć uszkodzenia SWCNT.

Problem:

Jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT) różnią się od wielościennych nanorurek węglowych (MWNT/ MWCNT) właściwościami elektrycznymi. Przerwa pasmowa SWCNT może wahać się od zera do 2 eV, a ich przewodnictwo elektryczne ma charakter metaliczny lub półprzewodnikowy. Ponieważ jednościenne nanorurki węglowe są bardzo spójne, jedną z głównych przeszkód w przetwarzaniu SWCNT jest ich nierozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych lub wodzie. Aby w pełni wykorzystać potencjał SWCNT, potrzebny jest prosty, niezawodny i skalowalny proces deaglomeracji rurek. W szczególności funkcjonalizacja ścian bocznych CNT lub otwartych końców w celu stworzenia odpowiedniego interfejsu między SWCNT a rozpuszczalnikiem organicznym powoduje jedynie częściową eksfoliację SWCNT. Dlatego SWCNT są w większości rozproszone w postaci wiązek, a nie pojedynczych deaglomerowanych sznurów. Jeśli warunki podczas dyspersji są zbyt surowe, SWCNT zostaną skrócone do długości od 80 do 200 nm. Dla większości praktycznych zastosowań, tj. dla półprzewodnikowych lub wzmacniających SWCNT, długość ta jest zbyt mała.

Rozwiązanie:

Ultradźwięki są bardzo skuteczną metodą dyspergowania i deaglomeracji nanorurek węglowych, ponieważ fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności generują kawitację w cieczach. Fale dźwiękowe rozchodzące się w ciekłych mediach powodują naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresja) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie), z szybkością zależną od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności tworzą małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie w cieczy. Gdy pęcherzyki osiągną objętość, przy której nie mogą już absorbować energii, zapadają się gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to określa się mianem kawitacji. Podczas implozji lokalnie osiągane są bardzo wysokie temperatury (ok. 5000 K) i ciśnienia (ok. 2000 atm). Implozja pęcherzyka kawitacyjnego skutkuje również powstaniem strumieni cieczy o prędkości do 280 m/s. Te strumienie cieczy wynikające z Kawitacja ultradźwiękowaPrzezwyciężyć siły wiązania między nanorurkami węglowymi, a tym samym nanorurki ulegają deaglomeracji. Łagodna, kontrolowana obróbka ultradźwiękowa jest odpowiednią metodą tworzenia stabilizowanych środkami powierzchniowo zawiesin zdyspergowanych SWCNT o dużej długości. W przypadku kontrolowanej produkcji SWCNT, procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher umożliwiają pracę w szerokim zakresie zestawów parametrów ultradźwiękowych. Amplituda ultradźwięków, ciśnienie cieczy i skład cieczy można zmieniać odpowiednio do konkretnego materiału i procesu. Oferuje to zmienne możliwości regulacji, takie jak

• amplitudy sonotrody do 170 mikronów
• ciśnienie cieczy do 10 barów
• natężenie przepływu cieczy do 15 l/min (w zależności od procesu)
• temperatury cieczy do 80°C (inne temperatury na życzenie)
• lepkość materiału do 100.000cp

 

Ponadto ultradźwięki jako metoda oczyszczania wspomagana polimerem pozwalają skutecznie usuwać zanieczyszczenia z wyhodowanych SWCNT. Trudno jest badać chemiczną modyfikację SWCNT na poziomie molekularnym, ponieważ trudno jest uzyskać czyste SWNT. Wyhodowane SWCNT zawierają wiele zanieczyszczeń, takich jak cząstki metalu i amorficzne węgle. Ultradźwięki SWCNT w roztworze monochlorobenzenu (MCB) poli (metakrylanu metylu) PMMA, a następnie filtracja jest skutecznym sposobem oczyszczania SWCNT. Ta metoda oczyszczania wspomagana polimerem pozwala skutecznie usuwać zanieczyszczenia z wyhodowanych SWCNT. Dokładna kontrola amplitudy ultradźwięków pozwala uniknąć lub ograniczyć uszkodzenia SWCNT.

Sprzęt ultradźwiękowy

Hielscher oferuje wysoką wydajność Procesory ultradźwiękowe do sonikacji każdej objętości. Urządzenia ultradźwiękowe od 50 watów do 16.000 watów, które można ustawić w klastrach, pozwalają znaleźć odpowiednie ultradźwięki dla każdego zastosowania, zarówno w laboratorium, jak iw przemyśle. W przypadku zaawansowanej dyspersji nanorurek zalecana jest ciągła sonikacja. Wykorzystując komórki przepływowe Hielschera, możliwe staje się rozproszenie CNT w cieczach o podwyższonej lepkości, takich jak polimery, stopy o wysokiej lepkości i tworzywa termoplastyczne.

Kliknij tutaj, aby przeczytać więcej o dyspersji i modyfikacji nanorurek za pomocą ultradźwięków o dużej mocy!