Ultradźwiękowe dyspergowanie nanorurek węglowych (CNT)
Nanorurki węglowe są wytrzymałe i elastyczne, ale silnie przylegają do siebie. Trudno je zdyspergować w cieczach, takich jak woda, etanol, olej, polimer lub żywica epoksydowa. Ultradźwięki są skuteczną metodą uzyskiwania oddzielnych – pojedynczo zdyspergowanych – nanorurek węglowych.
Nanorurki węglowe (CNT) stosuje się w klejach, powłokach i polimerach oraz jako wypełniacze przewodzące prąd elektryczny w tworzywach sztucznych w celu rozpraszania ładunków elektrostatycznych w urządzeniach elektrycznych i elementach karoserii samochodowych nadających się do malowania elektrostatycznego. Dzięki zastosowaniu nanorurek można zwiększyć odporność polimerów na temperatury, agresywne chemikalia, środowiska korozyjne, ekstremalne ciśnienia i ścieranie. Istnieją dwie kategorie nanorurek węglowych: nanorurki jednościenne (SWNT) i nanorurki wielościenne (MWNT).
Przemysłowy homogenizator ultradźwiękowy UIP1500hdT do dyspergowania nanorurek węglowych (CNT) i innych nanomateriałów.
Nanorurki węglowe są zazwyczaj dostępne w postaci suchego materiału, np. od firm takich jak SES Research lub CNT Co., Ltd. Aby w pełni wykorzystać potencjał nanorurek, potrzebny jest prosty, niezawodny i skalowalny proces deaglomeracji. W przypadku cieczy o lepkości do 100 000cP ultradźwięki są bardzo skuteczną technologią dyspergowania nanorurek w wodzie, oleju lub polimerach przy niskich lub wysokich stężeniach. Strumienie cieczy powstające w wyniku kawitacji ultradźwiękowej, pokonują siły wiążące nanorurki i rozdzielają je. Dzięki siłom ścinającym i mikroturbulencjom generowanym przez ultradźwięki mogą one również wspomagać powlekanie powierzchni nanorurek oraz ich reakcje chemiczne z innymi materiałami.
Zazwyczaj zgrubną dyspersję nanorurek najpierw miesza się za pomocą standardowego mieszadła, a następnie homogenizuje w ultradźwiękowym reaktorze z komorą przepływową. Poniższy film przedstawia próbę laboratoryjną (sonikację w trybie porcjowym z użyciem UP400S) polegającą na dyspergowaniu wielościennych nanorurek węglowych w wodzie przy niskim stężeniu. Ze względu na chemiczną naturę węgla dyspergowanie nanorurek w wodzie jest dość trudne. Jak pokazano na filmie, można łatwo wykazać, że sonikacja umożliwia skuteczne dyspergowanie nanorurek.
Porównanie różnych nanowypełniaczy zdyspergowanych w utwardzaczu za pomocą sonikacji z użyciem sondy): (a) 0,5 wt% nanowłókien węglowych (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxid; (c) 0,5 wt% nanorurek węglowych (CNT); (d) 0,5 wt% częściowo zdyspergowanych CNT.
Badanie i ilustracja: ©Zanghellini et al., 2021
Dyspergowanie pojedynczych SWNT o dużej długości
Głównym problemem związanym z przetwarzaniem SWNT i manipulowaniem nimi jest ich naturalna nierozpuszczalność w powszechnie stosowanych rozpuszczalnikach organicznych i wodzie. Funkcjonalizacja ściany bocznej lub otwartych końców nanorurek w celu utworzenia odpowiedniej powierzchni międzyfazowej między SWNT a rozpuszczalnikiem prowadzi przeważnie jedynie do częściowego rozdzielenia wiązek SWNT o strukturze przypominającej liny.
W rezultacie SWNT są zazwyczaj dyspergowane w postaci wiązek, a nie całkowicie odizolowanych pojedynczych obiektów. Gdy podczas dyspergowania stosuje się zbyt intensywne warunki, SWNT ulegają skróceniu do długości od 80 do 200nm. Chociaż jest to przydatne w niektórych badaniach, taka długość jest zbyt mała dla większości praktycznych zastosowań, takich jak wykorzystanie SWNT jako półprzewodników lub materiału wzmacniającego. Kontrolowana, łagodna obróbka ultradźwiękowa (np. za pomocą UP200Ht z sonotrodą 40mm) jest skuteczną metodą przygotowywania wodnych dyspersji długich, pojedynczych SWNT. Sekwencje łagodnej sonikacji minimalizują skracanie i umożliwiają maksymalne zachowanie właściwości strukturalnych i elektronowych.
Oczyszczanie SWNT za pomocą sonikacji wspomaganej polimerem
Badanie modyfikacji chemicznej SWNT na poziomie molekularnym jest trudne, ponieważ trudno uzyskać czyste SWNT. SWNT bezpośrednio po syntezie zawierają wiele zanieczyszczeń, takich jak cząstki metali i amorficzne formy węgla. Sonikacja SWNT w roztworze poli(metakrylanu metylu) PMMA w monochlorobenzenie (MCB), po której następuje filtracja, jest skutecznym sposobem oczyszczania SWNT. Ta wspomagana polimerem metoda oczyszczania umożliwia skuteczne usuwanie zanieczyszczeń z SWNT bezpośrednio po syntezie. (Yudasaka et al.) Dokładna kontrola amplitudy sonikacji pozwala ograniczyć uszkodzenia SWNT.
Hielscher: szeroka gama urządzeń ultradźwiękowych i akcesoriów do wydajnego dyspergowania nanorurek.
- Kompaktowe urządzenia laboratoryjne o mocy ultradźwięków do 400 watów do dyspergowania w mniejszych objętościach do 2 litrów
- UIP500hdT, UIP1000hdT i UIP1500hdT to procesory ultradźwiękowe, które mogą przetwarzać większe objętości.
- Systemy ultradźwiękowe o mocy 2kW (UIP2000hdT) i 4kW (UIP4000hdT) mogą być stosowane do dyspergowania nanorurek węglowych na skalę produkcyjną. Urządzenia UIP10000 (10 kilowatów) i UIP16000 (16 kilowatów) mogą być stosowane w zespołach złożonych z kilku pojedynczych jednostek do przetwarzania nanorurek węglowych na dużą skalę.”
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura
- 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.
Hielscher Ultrasonics produkuje homogenizatory ultradźwiękowe o wysokiej wydajności w rozmiarach od laboratoryjnych po przemysłowe.