Ultradźwiękowe dyspergowanie nanorurek węglowych (CNT)

Nanorurki węglowe są mocne i elastyczne, ale bardzo spoiste. Trudno je rozproszyć w cieczach, takich jak woda, etanol, olej, polimer lub żywica epoksydowa. Ultradźwięki są skuteczną metodą uzyskiwania dyskretnych nanorurek węglowych. – pojedynczo rozproszony – nanorurki węglowe.

Nanorurki węglowe (CNT) są stosowane w klejach, powłokach i polimerach oraz jako elektrycznie przewodzące wypełniacze w tworzywach sztucznych do rozpraszania ładunków elektrostatycznych w sprzęcie elektrycznym oraz w elektrostatycznie malowanych panelach karoserii samochodowych. Dzięki zastosowaniu nanorurek, polimery mogą być bardziej odporne na temperatury, agresywne chemikalia, środowiska korozyjne, ekstremalne ciśnienia i ścieranie. Istnieją dwie kategorie nanorurek węglowych: nanorurki jednościenne (SWNT) i nanorurki wielościenne (MWNT).

Nanorurki węglowe są ogólnie dostępne jako suchy materiał, np. od firm takich jak Badania SES Ltd. lub CNT Co. Aby maksymalnie wykorzystać potencjał nanorurek, potrzebny jest prosty, niezawodny i skalowalny proces deaglomeracji. W przypadku cieczy o ciśnieniu do 100 000cP ultradźwięki są bardzo skuteczną technologią rozpraszania nanorurek w wodzie, oleju lub polimerach o niskim lub wysokim stężeniu. Strumienie cieczy wynikające z Kawitacja ultradźwiękowaprzezwyciężają siły wiążące między nanorurkami i oddzielają rurki. Ze względu na generowane ultradźwiękowo siły ścinające i mikroturbulencje ultradźwięki mogą również pomagać w powlekaniu powierzchni i reakcji chemicznej nanorurek z innymi materiałami.

Ogólnie rzecz biorąc, gruboziarnista dyspersja nanorurek jest najpierw wstępnie mieszana za pomocą standardowego mieszadła, a następnie homogenizowana w ultradźwiękowym reaktorze przepływowym. Poniższy film przedstawia próbę laboratoryjną (sonikacja wsadowa przy użyciu UP400S) dyspergujących wielościenne nanorurki węglowe w wodzie o niskim stężeniu. Ze względu na chemiczną naturę węgla zachowanie dyspergujące nanorurek w wodzie jest raczej trudne. Jak pokazano na filmie, można łatwo wykazać, że ultradźwięki są w stanie skutecznie rozproszyć nanorurki.

Dyspersja pojedynczych SWNT o dużej długości

Głównym problemem w przetwarzaniu i manipulacji SWNT jest ich nierozpuszczalność w powszechnie stosowanych rozpuszczalnikach organicznych i wodzie. Funkcjonalizacja ściany bocznej nanorurek lub otwartych końców w celu stworzenia odpowiedniego interfejsu między SWNT a rozpuszczalnikiem prowadzi najczęściej tylko do częściowego złuszczenia sznurów SWNT.
W rezultacie SWNT są zazwyczaj rozproszone jako wiązki, a nie w pełni odizolowane pojedyncze obiekty. Gdy podczas dyspersji stosowane są zbyt surowe warunki, SWNT są skracane do długości od 80 do 200 nm. Chociaż jest to przydatne w niektórych testach, długość ta jest zbyt mała dla większości praktycznych zastosowań, takich jak półprzewodnikowe lub wzmacniające SWNT. Kontrolowana, łagodna obróbka ultradźwiękowa (np. przez UP200Ht z sonotrodą 40 mm) jest skuteczną procedurą przygotowania wodnych dyspersji długich pojedynczych SWNT. Sekwencje łagodnych ultradźwięków minimalizują skracanie i pozwalają na maksymalne zachowanie właściwości strukturalnych i elektronicznych.

Oczyszczanie SWNT za pomocą ultradźwięków wspomaganych polimerem

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

Hielscher's Szeroki zakres urządzeń ultradźwiękowych i akcesoria do skutecznego rozpraszania nanorurek.

• Kompaktowe urządzenia laboratoryjne do Moc ultradźwięków 400 W do dyspergowania w mniejszych objętościach do 2 litrów
• UIP500hdT, UIP1000hdT i UIP1500hdT to procesory ultradźwiękowe, które mogą przetwarzać większe objętości.
• Systemy ultradźwiękowe 2kW (UIP2000hdT) i 4kW (UIP4000hdT) może być stosowany do dyspergowania nanorurek węglowych na skalę produkcyjną. UIP10000 (10 kilowatów) i UIP16000 (16 kilowatów) mogą być używane w klastrach składających się z kilku pojedynczych jednostek do przetwarzania nanorurek węglowych na dużą skalę.”

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.