Jak dyspergować jednościenne nanorurki węglowe do postaci pojedynczych nanorurek

Jednościenne nanorurki węglowe (SWNTs lub SWCNTs) mają wyjątkowe właściwości, ale aby je ujawnić, muszą zostać zdyspergowane do postaci pojedynczych nanorurek. Aby w pełni wykorzystać wyjątkowe właściwości jednościennych nanorurek węglowych, należy jak najdokładniej rozplątać nanorurki. SWNTs, podobnie jak inne nanocząstki, wykazują bardzo duże siły przyciągania, dlatego do niezawodnej deaglomeracji i dyspergowania potrzebna jest technika o dużej mocy i skuteczności. Podczas gdy powszechnie stosowane techniki mieszania nie zapewniają intensywności potrzebnej do rozplątania SWNTs bez ich uszkodzenia, potwierdzono skuteczność ultradźwięków o dużej mocy w rozplątywaniu i dyspergowaniu SWCNTs. Siły ścinania wywołane kawitacją generowaną ultradźwiękowo są wystarczająco duże, aby przezwyciężyć siły wiążące, a intensywność ultradźwięków można precyzyjnie regulować, aby uniknąć uszkodzenia SWCNTs.

Problem:

Jednościenne nanorurki węglowe (SWCNTs) różnią się od wielościennych nanorurek węglowych (MWNTs/ MWCNTs) właściwościami elektrycznymi. Przerwa energetyczna SWCNTs może wynosić od zera do 2 eV, a ich przewodnictwo elektryczne ma charakter metaliczny lub półprzewodnikowy. Ponieważ jednościenne nanorurki węglowe wykazują silną kohezję, jedną z głównych przeszkód w przetwarzaniu SWCNTs jest ich naturalna nierozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych lub wodzie. Aby wykorzystać pełny potencjał SWCNTs, potrzebny jest prosty, niezawodny i skalowalny proces deaglomeracji nanorurek. W szczególności funkcjonalizacja ścian bocznych lub otwartych końców CNTs w celu utworzenia odpowiedniej granicy faz między SWCNTs a rozpuszczalnikiem organicznym prowadzi jedynie do częściowej eksfoliacji SWCNTs. Dlatego SWCNTs są najczęściej dyspergowane w postaci wiązek, a nie pojedynczych, zdeaglomerowanych splotów. Jeśli warunki podczas dyspergowania są zbyt intensywne, SWCNTs zostaną skrócone do długości od 80 do 200nm. W większości zastosowań praktycznych, tj. w przypadku SWCNTs pełniących funkcję półprzewodników lub wzmocnienia, długość ta jest zbyt mała.

Rozwiązanie:

Sonikacja jest bardzo skuteczną metodą dyspergowania i deaglomeracji nanorurek węglowych, ponieważ fale ultradźwiękowe o dużej intensywności generują kawitację w cieczach. Fale dźwiękowe rozchodzące się w ośrodkach ciekłych powodują naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (sprężania) i niskiego ciśnienia (rozrzedzania), których tempo zależy od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe o dużej intensywności tworzą w cieczy małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie. Gdy pęcherzyki osiągną objętość, przy której nie mogą już pochłaniać energii, gwałtownie się zapadają podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to nazywa się kawitacją. Podczas implozji lokalnie osiągane są bardzo wysokie temperatury (ok. 5 000K) i ciśnienia (ok. 2 000atm). Implozja pęcherzyka kawitacyjnego powoduje również powstawanie strug cieczy o prędkości do 280m/s. Te strugi cieczy, powstające w wyniku kawitacji ultradźwiękowej, pokonują siły wiążące nanorurki węglowe, wskutek czego nanorurki ulegają deaglomeracji. Łagodna, kontrolowana obróbka ultradźwiękowa jest odpowiednią metodą wytwarzania stabilizowanych środkami powierzchniowo czynnymi zawiesin zdyspergowanych SWCNTs o dużej długości. W kontrolowanej produkcji SWCNTs procesory ultradźwiękowe Hielscher umożliwiają pracę z szerokim zakresem zestawów parametrów ultradźwiękowych. Amplitudę ultradźwięków, ciśnienie cieczy i skład cieczy można zmieniać odpowiednio do konkretnego materiału i procesu. Zapewnia to różnorodne możliwości regulacji, takie jak

• amplitudy sonotrody do 170 mikronów
• ciśnienia cieczy do 10 barów
• natężenia przepływu cieczy do 15L/min (w zależności od procesu)
• temperatury cieczy do 80 degC (inne temperatury na życzenie)
• lepkość materiału do 100 000cp

 

Ponadto sonikacja jako metoda oczyszczania wspomaganego polimerem pozwala skutecznie usuwać zanieczyszczenia z SWCNTs bezpośrednio po ich wytworzeniu. Badanie modyfikacji chemicznej SWCNTs na poziomie molekularnym jest trudne, ponieważ trudno uzyskać czyste SWNTs. SWCNTs bezpośrednio po wytworzeniu zawierają liczne zanieczyszczenia, takie jak cząstki metali i amorficzne formy węgla. Sonikacja SWCNTs w roztworze poli(metakrylanu metylu) PMMA w monochlorobenzenie (MCB), po której następuje filtracja, jest skutecznym sposobem oczyszczania SWCNTs. Ta metoda oczyszczania wspomaganego polimerem pozwala skutecznie usuwać zanieczyszczenia z SWCNTs bezpośrednio po ich wytworzeniu. Precyzyjna kontrola amplitudy sonikacji pozwala uniknąć uszkadzania SWCNTs lub je ograniczyć.

Urządzenia ultradźwiękowe

Hielscher oferuje wysokowydajne procesory ultradźwiękowe do sonikacji dowolnej objętości. Urządzenia ultradźwiękowe o mocy od 50 watów do 16 000 watów, które można łączyć w zespoły, pozwalają dobrać odpowiednie urządzenie ultradźwiękowe do każdego zastosowania, zarówno w laboratorium, jak i w przemyśle. Do zaawansowanego dyspergowania nanorurek zaleca się sonikację ciągłą. Zastosowanie komór przepływowych Hielscher umożliwia dyspergowanie CNTs w cieczach o podwyższonej lepkości, takich jak polimery, stopione materiały o dużej lepkości i tworzywa termoplastyczne.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o dyspergowaniu i modyfikacji nanorurek za pomocą ultradźwięków o dużej mocy!