Jednolicie rozproszone CNT przez ultradźwięki
Aby wykorzystać wyjątkowe funkcje nanorurek węglowych (CNT), muszą one być jednorodnie rozproszone.
Dyspergatory ultradźwiękowe są najczęstszym narzędziem do rozprowadzania CNT w zawiesinach wodnych i rozpuszczalnikowych.
Technologia dyspergowania ultradźwiękowego wytwarza wystarczająco wysoką energię ścinania, aby osiągnąć całkowite oddzielenie CNT bez ich uszkodzenia.
Ultradźwiękowe dyspergowanie nanorurek węglowych
Nanorurki węglowe (CNT) mają bardzo wysoki współczynnik kształtu i wykazują niską gęstość, a także ogromną powierzchnię (kilkaset m2/g), co nadaje im unikalne właściwości, takie jak bardzo wysoka wytrzymałość na rozciąganie, sztywność i wytrzymałość oraz bardzo wysoka przewodność elektryczna i cieplna. Ze względu na siły Van der Waalsa, które przyciągają pojedyncze nanorurki węglowe (CNT) do siebie, CNT układają się zwykle w wiązki lub motki. Te międzycząsteczkowe siły przyciągania opierają się na zjawisku układania wiązań π między sąsiednimi nanorurkami, znanym jako π-stacking. Aby uzyskać pełne korzyści z nanorurek węglowych, aglomeraty te muszą zostać rozłączone, a CNT muszą być równomiernie rozłożone w jednorodnej dyspersji. Intensywne ultradźwięki tworzą kawitację akustyczną w cieczach. Wytworzone w ten sposób lokalne naprężenie ścinające rozbija agregaty CNT i rozprasza je równomiernie w jednorodnej zawiesinie. Technologia dyspergowania ultradźwiękowego wytwarza wystarczająco wysoką energię ścinania, aby osiągnąć całkowite oddzielenie CNT bez ich uszkodzenia. Nawet w przypadku wrażliwych SWNT sonikacja jest z powodzeniem stosowana do ich indywidualnego rozplątywania. Ultradźwięki zapewniają wystarczający poziom naprężenia, aby oddzielić agregaty SWNT bez powodowania dużych pęknięć poszczególnych nanorurek (Huang, Terentjev 2012).
- Pojedynczo rozproszone CNT
- Jednorodna dystrybucja
- Wysoka wydajność dyspersji
- Wysokie obciążenie CNT
- Brak degradacji CNT
- Szybkie przetwarzanie
- Precyzyjna kontrola procesu
UIP2000hdT – Wydajny ultradźwiękowiec o mocy 2 kW do dyspersji CNT
Wysokowydajne systemy ultradźwiękowe do dyspersji CNT
Hielscher Ultrasonics dostarcza wydajny i niezawodny sprzęt ultradźwiękowy do efektywnej dyspersji CNT. Czy trzeba przygotować małe próbki CNT do analizy i R&D lub musisz produkować duże przemysłowe partie dyspersji luzem, asortyment produktów firmy Hielscher oferuje idealny system ultradźwiękowy spełniający Twoje wymagania. Od Ultradźwięki o mocy 50 W dla laboratorium do Przemysłowe urządzenia ultradźwiękowe 16 kW do produkcji komercyjnej, firma Hielscher Ultrasonics ma wszystko pod kontrolą.
Aby wytworzyć wysokiej jakości dyspersje nanorurek węglowych, parametry procesu muszą być dobrze kontrolowane. Amplituda, temperatura, ciśnienie i czas retencji są najbardziej krytycznymi parametrami dla równomiernego rozkładu CNT. Ultradźwięki firmy Hielscher nie tylko pozwalają na precyzyjną kontrolę każdego parametru, ale wszystkie parametry procesu są automatycznie rejestrowane na zintegrowanej karcie SD cyfrowych systemów ultradźwiękowych firmy Hielscher. Protokół każdego procesu sonikacji pomaga zapewnić powtarzalne wyniki i stałą jakość. Za pomocą zdalnego sterowania przez przeglądarkę użytkownik może obsługiwać i monitorować urządzenie ultradźwiękowe bez konieczności 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 ultradźwiękowa jest kluczowym czynnikiem, jeśli chodzi o produkt końcowy. Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie, jak również bardzo łagodne amplitudy. Ustal idealną amplitudę dla swoich wymagań procesowych. Nawet amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach.
Nasi klienci są zadowoleni z wyjątkowej wytrzymałości i niezawodności systemów Hielscher Ultrasonic. Instalacja w obszarach ciężkich zastosowań, wymagających środowiskach i pracy 24/7 zapewnia wydajne i ekonomiczne przetwarzanie. Ultradźwiękowa intensyfikacja procesu skraca czas przetwarzania i osiąga lepsze wyniki, tj. wyższą jakość, wyższą wydajność, innowacyjne produkty.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 0.5-1,5 mL | b.d. | VialTweeter |
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Procesory ultradźwiękowe o dużej mocy od skali laboratoryjnej do pilotażowej i przemysłowej.
Literatura / Referencje
- 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.
Fakty, które warto znać
nanorurki węglowe
Nanorurki węglowe (CNT) są częścią specjalnej klasy jednowymiarowych materiałów węglowych, wykazujących wyjątkowe właściwości mechaniczne, elektryczne, termiczne i optyczne. Są one głównym składnikiem wykorzystywanym w rozwoju i produkcji zaawansowanych nanomateriałów, takich jak nanokompozyty, wzmocnione polimery itp. i dlatego są wykorzystywane w najnowocześniejszych technologiach. CNT charakteryzują się bardzo wysoką wytrzymałością na rozciąganie, doskonałymi właściwościami przenoszenia ciepła, niskimi przerwami międzypasmowymi oraz optymalną stabilnością chemiczną i fizyczną, co sprawia, że nanorurki są obiecującym dodatkiem do różnych 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, długie cylindryczne rurki wykonane ze ścianki węglowej o grubości jednego atomu. Arkusz atomowy węgla jest ułożony w siatkę 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 zagnieżdżona w drugiej.
MWNT są formą CNT, w której wiele jednościennych nanorurek węglowych jest zagnieżdżonych jedna w drugiej. Ponieważ ich średnica waha się w przedziale 3-30 nm, a ich długość może wynosić kilka cm, ich współczynnik kształtu może wynosić od 10 do 10 milionów. W porównaniu do nanowłókien węglowych, MWNT mają inną strukturę ścian, mniejszą średnicę zewnętrzną i puste wnętrze. Powszechnie stosowanymi w przemyśle typami MWNT są np. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 i FutureCarbon CNT-MW.
Synteza CNT: CNT mogą być wytwarzane metodą syntezy plazmowej lub metodą odparowywania wyładowań łukowych, metodą ablacji laserowej, procesem syntezy termicznej, chemicznym osadzaniem z fazy gazowej (CVD) lub chemicznym osadzaniem z fazy gazowej ze wspomaganiem plazmowym.
Funkcjonalizacja CNT: Aby poprawić właściwości nanorurek węglowych i tym samym uczynić je bardziej odpowiednimi do określonego zastosowania, CNT są często funkcjonalizowane, np. poprzez dodanie grup kwasu karboksylowego (-COOH) lub hydroksylowego (-OH).
Dodatki dyspergujące CNT
Kilka rozpuszczalników, takich jak super kwasy, ciecze jonowe i N-cykloheksylo-2-pirolidnon, jest w stanie przygotować dyspersje CNT o stosunkowo wysokim stężeniu, podczas gdy najpopularniejsze rozpuszczalniki dla nanorurek, takie jak N-metylo-2-pirolidon (NMP), dimetyloformamid (DMF) i 1,2-dichrolobenzen, mogą dyspergować nanorurki tylko przy bardzo niskich stężeniach (np. typowo <0.02% wag. jednościennych CNT). Najpopularniejszymi środkami dyspergującymi są poliwinylopirolidon (PVP), dodecylobenzenosulfonian sodu (SDBS), Triton 100 lub dodecylosulfonian sodu (SDS).
Krezole to grupa przemysłowych chemikaliów, które mogą przetwarzać CNT w stężeniach do kilkudziesięciu procent wagowych, powodując ciągłe przejście od rozcieńczonych dyspersji, gęstych past i wolnostojących żeli do bezprecedensowego stanu przypominającego ciasto do zabawy, wraz ze wzrostem obciążenia CNT. Stany te wykazują właściwości reologiczne i lepkosprężyste podobne do polimerów, które nie są osiągalne w przypadku innych popularnych rozpuszczalników, co sugeruje, że nanorurki są rzeczywiście zdezagregowane i drobno zdyspergowane w krezolach. Krezole można usunąć po przetworzeniu przez ogrzewanie lub mycie, bez zmiany powierzchni CNT. [Chiou et al. 2018].
Zastosowania dyspersji CNT
Równomiernie rozproszone CNT są wykorzystywane do produkcji przewodzących tworzyw sztucznych, wyświetlaczy ciekłokrystalicznych, organicznych diod elektroluminescencyjnych, ekranów dotykowych, elastycznych wyświetlaczy, ogniw słonecznych, farb przewodzących, materiałów do kontroli statycznej, w tym folii, pianek, włókien i tkanin, powłok polimerowych i klejów, wysokowydajnych kompozytów polimerowych o wyjątkowej wytrzymałości mechanicznej i twardości, włókien kompozytowych polimer/CNT, a także lekkich i antystatycznych materiałów.