Jednorodnie zdyspergowane CNT dzięki sonikacji

Aby wykorzystać wyjątkowe właściwości funkcjonalne nanorurek węglowych (CNT), należy je jednorodnie zdyspergować.
Dyspergatory ultradźwiękowe są najczęściej stosowanym narzędziem do rozprowadzania CNT w zawiesinach wodnych i zawiesinach na bazie rozpuszczalników.
Technologia dyspergowania ultradźwiękowego wytwarza wystarczająco wysoką energię ścinania, aby uzyskać całkowite rozdzielenie CNT bez ich uszkadzania.

Ultradźwiękowe dyspergowanie nanorurek węglowych

Nanorurki węglowe (CNT) mają bardzo wysoki stosunek długości do średnicy oraz charakteryzują się małą gęstością i ogromną powierzchnią właściwą (kilkaset m2/g), co nadaje im unikalne właściwości, takie jak bardzo wysoka wytrzymałość na rozciąganie, sztywność i odporność na pękanie oraz bardzo wysoka przewodność elektryczna i cieplna. Ze względu na siły van der Waalsa, które powodują wzajemne przyciąganie pojedynczych nanorurek węglowych (CNT), CNT zwykle układają się w wiązki lub sploty. Te międzycząsteczkowe siły przyciągania opierają się na zjawisku układania się wiązań π między sąsiadującymi nanorurkami, znanym jako oddziaływania warstwowe π–π. Aby w pełni wykorzystać zalety nanorurek węglowych, należy rozplątać te aglomeraty i równomiernie rozprowadzić CNT w jednorodnej dyspersji. Intensywna sonikacja wywołuje kawitację akustyczną w cieczach. Powstające w ten sposób lokalne naprężenia ścinające rozbijają agregaty CNT i równomiernie dyspergują je w jednorodnej zawiesinie. Technologia dyspergowania ultradźwiękowego wytwarza wystarczająco wysoką energię ścinania, aby uzyskać całkowite rozdzielenie CNT bez ich uszkadzania. Nawet w przypadku wrażliwych SWNT sonikacja jest z powodzeniem stosowana do ich rozplątywania i rozdzielania na pojedyncze nanorurki. Sonikacja zapewnia właśnie taki poziom naprężeń, który wystarcza do rozdzielenia agregatów SWNT bez powodowania licznych pęknięć pojedynczych nanorurek (Huang, Terentjev 2012).

Zalety ultradźwiękowego dyspergowania CNT

CNT zdyspergowane jako pojedyncze nanorurki
Jednorodny rozkład
Wysoka skuteczność dyspergowania
Wysoka zawartość CNT
Brak degradacji CNT
Szybkie przetwarzanie
Precyzyjna kontrola procesu

Nanociecze wytwarzane ultradźwiękowo są wydajnymi chłodziwami i cieczami do wymienników ciepła. Nanomateriały przewodzące ciepło znacznie zwiększają zdolność do wymiany i odprowadzania ciepła. Sonikacja jest uznaną metodą syntezy i funkcjonalizacji nanocząstek przewodzących ciepło oraz produkcji stabilnych, wysoce wydajnych nanocieczy do zastosowań chłodniczych.

Wysokowydajne systemy ultradźwiękowe do dyspersji CNT

Hielscher Ultrasonics dostarcza wydajne i niezawodne urządzenia ultradźwiękowe do skutecznego dyspergowania CNT. Niezależnie od tego, czy trzeba przygotować małe próbki CNT do analiz oraz prac badawczo-rozwojowych, czy wytwarzać duże przemysłowe partie dyspersji, oferta produktów Hielscher obejmuje idealny system ultradźwiękowy dostosowany do tych wymagań. Od sonikatorów 50W do zastosowań laboratoryjnych aż po przemysłowe urządzenia ultradźwiękowe 16kW do produkcji komercyjnej, Hielscher Ultrasonics zapewnia odpowiednie rozwiązania.
Aby wytwarzać wysokiej jakości dyspersje nanorurek węglowych, należy dobrze kontrolować parametry procesu. Amplituda, temperatura, ciśnienie i czas przebywania są najważniejszymi parametrami dla równomiernego rozkładu CNT. Sonikatory Hielscher nie tylko umożliwiają precyzyjną kontrolę każdego parametru, lecz także automatycznie zapisują wszystkie parametry procesu na zintegrowanej karcie SD cyfrowych systemów ultradźwiękowych Hielscher. Zapis każdego procesu sonikacji pomaga zapewnić powtarzalne wyniki i stałą jakość. Dzięki zdalnemu sterowaniu przez przeglądarkę użytkownik może obsługiwać i monitorować urządzenie ultradźwiękowe bez przebywania w miejscu, w którym znajduje się system ultradźwiękowy.
Ponieważ jednościenne nanorurki węglowe (SWNT) i wielościenne nanorurki węglowe (MWNT), a także wybrane medium wodne lub rozpuszczalnikowe wymagają określonej intensywności przetwarzania, amplituda ultradźwięków jest kluczowym czynnikiem wpływającym na produkt końcowy. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać zarówno bardzo wysokie, jak i bardzo niskie amplitudy. Dobierz idealną amplitudę do wymagań swojego procesu. Nawet przy amplitudach do 200µm można z łatwością prowadzić ciągłą pracę w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach.
Nasi klienci są zadowoleni z wyjątkowej wytrzymałości i niezawodności systemów Hielscher Ultrasonic. Instalacja w obszarach zastosowań wymagających dużych obciążeń, w wymagających warunkach i praca w trybie 24/7 zapewniają wydajne i ekonomiczne przetwarzanie. Ultradźwiękowa intensyfikacja procesów skraca czas przetwarzania i pozwala uzyskać lepsze wyniki, tj. wyższą jakość, większe uzyski i innowacyjne produkty.
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Objętość partii	Natężenie przepływu	Zalecane urządzenia
0,5 do 1,5mL	nie dotyczy	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
nie dotyczy	10 do 100L/min	UIP16000
nie dotyczy	większe	zespół urządzeń UIP16000

Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!

Ultradźwiękowe dyspergowanie nanorurek węglowych: sonikator Hielscher UP400S (400W) szybko i skutecznie dysperguje i rozplątuje nanorurki węglowe (CNT), rozdzielając je na pojedyncze nanorurki.

Powiązane tematy

Literatura / Źródła

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.

Warto wiedzieć

Czym są nanorurki węglowe

Nanorurki węglowe (CNT) należą do szczególnej klasy jednowymiarowych materiałów węglowych, wykazujących wyjątkowe właściwości mechaniczne, elektryczne, cieplne i optyczne. Są głównym składnikiem wykorzystywanym w opracowywaniu i produkcji zaawansowanych nanomateriałów, takich jak nanokompozyty, wzmacniane polimery itp., dlatego znajdują zastosowanie w najnowocześniejszych technologiach. CNT wykazują bardzo wysoką wytrzymałość na rozciąganie, znakomite właściwości przenoszenia ciepła, małe przerwy energetyczne oraz optymalną stabilność chemiczną i fizyczną, co czyni nanorurki obiecującym dodatkiem do różnorodnych materiałów.
W zależności od struktury CNTS dzieli się na jednościenne nanorurki węglowe (SWNT), dwuścienne nanorurki węglowe (DWCNT) i wielościenne nanorurki węglowe (MWNT).
SWNT to puste w środku, długie cylindryczne rurki zbudowane ze ściany węglowej o grubości jednego atomu. Warstwa atomów węgla tworzy sieć o strukturze plastra miodu. Często porównuje się je koncepcyjnie do zwiniętych arkuszy jednowarstwowego grafitu lub grafenu.
DWCNT składają się z dwóch jednościennych nanorurek, z których jedna jest umieszczona wewnątrz drugiej.
MWNT to forma CNT, w której wiele jednościennych nanorurek węglowych jest umieszczonych jedna wewnątrz drugiej. Ponieważ ich średnica wynosi 3–30 nm, a długość może osiągać kilka cm, ich stosunek długości do średnicy może wynosić od 10 do dziesięciu milionów. W porównaniu z nanowłóknami węglowymi MWNT mają inną strukturę ścian, mniejszą średnicę zewnętrzną i puste wnętrze. Powszechnie stosowane typy MWNT dostępne na rynku przemysłowym to np. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 i FutureCarbon CNT-MW.
Synteza CNT: CNT można wytwarzać metodą syntezy plazmowej lub metodą odparowania w wyładowaniu łukowym, metodą ablacji laserowej, w procesie syntezy termicznej, metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) lub chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą.
Funkcjonalizacja CNT: Aby poprawić właściwości nanorurek węglowych i tym samym lepiej dostosować je do konkretnego zastosowania, CNT często poddaje się funkcjonalizacji, np. przez dodanie grup karboksylowych (-COOH) lub hydroksylowych (-OH).

Dodatki do dyspergowania CNT

Niektóre rozpuszczalniki, takie jak superkwasy, ciecze jonowe i N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, umożliwiają przygotowanie dyspersji CNT o stosunkowo wysokim stężeniu, natomiast najczęściej stosowane rozpuszczalniki do nanorurek, takie jak N-metylo-2-pirolidon (NMP), dimetyloformamid (DMF) i 1,2-dichrolobenzene, mogą dyspergować nanorurki tylko przy bardzo niskich stężeniach (np. zazwyczaj <0,02 wt% jednościennych CNT). Najczęściej stosowanymi środkami dyspergującymi są poliwinylopirolidon (PVP), dodecylobenzenosulfonian sodu (SDBS), Triton 100 lub dodecylosulfonian sodu (SDS).
Krezole to grupa przemysłowych substancji chemicznych, które umożliwiają przetwarzanie CNT przy stężeniach sięgających dziesiątek procent wagowych, co wraz ze wzrostem zawartości CNT prowadzi do ciągłego przejścia od rozcieńczonych dyspersji, przez gęste pasty i samonośne żele, do niespotykanego dotąd stanu przypominającego ciastolinę. Stany te wykazują właściwości reologiczne i lepkosprężyste podobne do właściwości polimerów, których nie można uzyskać przy użyciu innych powszechnie stosowanych rozpuszczalników, co sugeruje, że nanorurki są rzeczywiście rozdzielone z agregatów i drobno zdyspergowane w krezolach. Krezole można usunąć po przetwarzaniu przez ogrzewanie lub przemywanie, bez zmiany powierzchni CNT. [Chiou et al. 2018]

Zastosowania dyspersji CNT

Aby wykorzystać zalety CNT, należy je zdyspergować w cieczy, takiej jak polimery. Równomiernie zdyspergowane CNT stosuje się do produkcji przewodzących tworzyw sztucznych, wyświetlaczy ciekłokrystalicznych, organicznych diod elektroluminescencyjnych, ekranów dotykowych, elastycznych wyświetlaczy, ogniw słonecznych, tuszów przewodzących, materiałów do kontroli elektryczności statycznej, w tym folii, pianek, włókien i tkanin, powłok i klejów polimerowych, wysokiej klasy kompozytów polimerowych o wyjątkowej wytrzymałości mechanicznej i odporności na pękanie, włókien kompozytowych polimer/CNT, a także materiałów lekkich i antystatycznych.

Jakie są formy węgla?
Węgiel występuje w kilku odmianach alotropowych, w tym:

Formy krystaliczne: diament, grafit, grafen, nanorurki węglowe (CNT), fulereny (np. C₆₀).
Formy amorficzne: węgiel drzewny, sadza, sadza techniczna, węgiel szklisty, węgiel diamentopodobny (DLC), jednowarstwowy węgiel amorficzny (MAC).
Nanostruktury hybrydowe: nanodiamenty, cebulki węglowe, aerożele węglowe oraz kompozyty, takie jak hybrydy nanowęgla i metali.

Każda forma wykazuje odrębne właściwości fizykochemiczne istotne dla zastosowań w materiałoznawstwie, elektronice i magazynowaniu energii.