Como dispersar nanotubos de carbono de parede simples individualmente

Os nanotubos de carbono de parede simples (SWNTs ou SWCNTs) têm caraterísticas únicas, mas para as exprimirem têm de ser dispersos individualmente. Para tirar o máximo partido das caraterísticas excepcionais dos nanotubos de carbono de parede simples, os tubos têm de ser completamente desembaraçados. Os SWNTs, tal como outras nanopartículas, apresentam forças de atração muito elevadas, pelo que é necessária uma técnica poderosa e eficiente para uma desaglomeração e dispersão fiáveis. Embora as técnicas de mistura comuns não forneçam a intensidade necessária para desembaraçar os SWNT sem os danificar, está provado que os ultra-sons de alta potência desembaraçam e dispersam os SWCNT. As forças de cisalhamento cavitacional geradas por ultra-sons são suficientemente potentes para ultrapassar as forças de ligação, enquanto a intensidade dos ultra-sons pode ser ajustada com precisão para evitar danos nos SWCNT.

Problema:

Os nanotubos de carbono de parede simples (SWCNTs) diferem dos nanotubos de carbono de parede múltipla (MWNTs/MWCNTs) pelas suas propriedades eléctricas. O intervalo de banda dos SWCNTs pode variar entre zero e 2 eV e a sua condutividade eléctrica apresenta um comportamento metálico ou semicondutor. Uma vez que os nanotubos de carbono de parede simples são altamente coesivos, um dos principais obstáculos no processamento de SWCNTs é a insolubilidade inerente dos tubos em solventes orgânicos ou água. Para utilizar todo o potencial dos SWCNTs, é necessário um processo de desaglomeração simples, fiável e escalável dos tubos. Em especial, a funcionalização das paredes laterais dos CNT ou das extremidades abertas para criar uma interface adequada entre os SWCNTs e o solvente orgânico resulta apenas numa esfoliação parcial dos SWCNTs. Por conseguinte, os SWCNTs são principalmente dispersos como feixes em vez de cordas individuais desaglomeradas. Se as condições durante a dispersão forem demasiado rigorosas, os SWCNT serão encurtados para comprimentos entre 80 e 200 nm. Para a maioria das aplicações práticas, ou seja, para SWCNTs semicondutores ou de reforço, este comprimento é demasiado pequeno.

Solução:

A ultrassonografia é um método muito eficaz de dispersão e desaglomeração de nanotubos de carbono, uma vez que as ondas ultra-sónicas de alta intensidade geram cavitação em líquidos. As ondas sonoras propagadas no meio líquido resultam em ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), com taxas que dependem da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultra-sónicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou espaços vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume em que já não conseguem absorver energia, entram em colapso violento durante um ciclo de alta pressão. Este fenómeno é designado por cavitação. Durante a implosão são atingidas localmente temperaturas (aprox. 5.000K) e pressões (aprox. 2.000atm) muito elevadas. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jactos de líquido com uma velocidade de até 280m/s. Estes jactos de líquido resultantes da Cavitação ultra-sónicaO tratamento ultrassónico é um método adequado para criar suspensões estabilizadas com tensioactivos e com um comprimento elevado. Um tratamento ultrassónico suave e controlado é um método adequado para criar suspensões estabilizadas com surfactantes de SWCNTs dispersos com um comprimento elevado. Para a produção controlada de SWCNTs, os processadores ultra-sônicos da Hielscher permitem a execução em uma ampla gama de conjuntos de parâmetros ultra-sônicos. A amplitude ultra-sónica, a pressão do líquido e a composição do líquido podem ser variadas, respetivamente, para o material e o processo específicos. Isto oferece possibilidades variáveis de ajustes, tais como

• amplitudes de sonotrodo até 170 mícrones
• pressões de líquido até 10 bar
• caudais de líquido até 15L/min (dependendo do processo)
• temperaturas líquidas até 80 graus Celsius (outras temperaturas a pedido)
• viscosidade do material até 100.000cP

 

Além disso, a ultra-sons como um método de purificação assistida por polímero permite remover impurezas de SWCNTs como crescido, de forma eficaz. É difícil estudar a modificação química dos SWCNTs a nível molecular, porque é difícil obter SWNTs puros. Os SWCNTs crescidos contêm muitas impurezas, tais como partículas metálicas e carbonos amorfos. Ultrasonication de SWCNTs em uma solução de monoclorobenzeno (MCB) de poli (metacrilato de metilo) PMMA seguido por filtração é uma maneira eficaz para purificar SWCNTs. Este método de purificação assistida por polímero permite a remoção de impurezas de SWCNTs as-grown eficazmente. O controlo preciso da amplitude de ultra-sons permite evitar ou limitar a danificar os SWCNTs.

Equipamento ultrassónico

A Hielscher oferece um elevado desempenho processadores ultra-sônicos para a sonicação de todos os volumes. Os aparelhos de ultra-sons de 50 watts até 16.000 watts, que podem ser montados em grupos, permitem encontrar o ultrassom adequado para cada aplicação, tanto no laboratório como na indústria. Para a dispersão sofisticada de nanotubos, recomenda-se uma sonicação contínua. Usando as células de fluxo da Hielscher, torna-se possível dispersar CNTs em líquidos de elevada viscosidade, tais como polímeros, derretimentos de alta viscosidade e termoplásticos.

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