Como dispersar nanotubos de carbono de parede única individualmente

Os nanotubos de carbono de parede simples (SWNTs ou SWCNTs) têm características únicas, mas para expressá-las devem ser dispersos individualmente. Para fazer pleno uso das características excepcionais dos nanotubos de carbono de parede única, os tubos devem ser desembaraçados mais completamente. SWNTs como outras nanopartículas apresentam forças de atração muito altas, de modo que uma técnica poderosa e eficiente é necessária para uma desaglomeração e dispersão confiáveis. Embora as técnicas comuns de mistura não forneçam a intensidade necessária para desembaraçar SWNTs sem danificá-los, o ultrassom de alta potência comprovadamente desembaraça e dispersa SWCNTs. As forças de cisalhamento cavitacional geradas por ultrassom são poderosas o suficiente para superar as forças de ligação, enquanto a intensidade do ultrassom pode ser ajustada com precisão para evitar danos aos SWCNTs.

Problema:

Os nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) diferem dos nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWNTs/MWCNTs) por suas propriedades elétricas. O band gap dos SWCNTs pode variar de zero a 2 eV e sua condutividade elétrica apresenta comportamento metálico ou semicondutor. Como os nanotubos de carbono de parede única são altamente coesos, um dos principais obstáculos no processamento de SWCNTs é a insolubilidade inerente dos tubos em solventes orgânicos ou água. Para usar todo o potencial dos SWCNTs, é necessário um processo de desaglomeração simples, confiável e escalável dos tubos. Especialmente, a funcionalização das paredes laterais ou extremidades abertas do CNT para criar uma interface adequada entre os SWCNTs e o solvente orgânico resulta apenas na esfoliação parcial dos SWCNTs. Portanto, os SWCNTs são dispersos principalmente como feixes, em vez de cordas desaglomeradas individuais. Se a condição durante a dispersão for muito severa, os SWCNTs serão encurtados para comprimentos entre 80 e 200 nm. Para a maioria das aplicações práticas, ou seja, para SWCNTs semicondutores ou reforçadores, esse comprimento é muito pequeno.

Solução:

A ultrassonografia é um método muito eficaz de dispersão e desaglomeração de nanotubos de carbono, pois as ondas ultrassônicas de ultrassom 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 dependendo da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultrassônicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume no qual não podem mais absorver energia, elas colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. Esse fenômeno é denominado cavitação. Durante a implosão, temperaturas muito altas (aprox. 5.000K) e pressões (aprox. 2.000atm) são atingidas localmente. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jatos de líquido de até 280m/s de velocidade. Essas correntes de jato líquido resultantes de cavitação ultrassônica, superam as forças de ligação entre os nanotubos de carbono e, portanto, os nanotubos se desaglomeram. Um tratamento ultrassônico suave e controlado é um método apropriado para criar suspensões estabilizadas com surfactante de SWCNTs dispersos com alto comprimento. Para a produção controlada de SWCNTs, os processadores ultrassônicos da Hielscher permitem a execução em uma ampla gama de conjuntos de parâmetros ultrassônicos. A amplitude ultrassônica, a pressão do líquido e a composição do líquido podem ser variadas, respectivamente, de acordo com o material e o processo específicos. Isso oferece possibilidades variáveis de ajustes, como

• amplitudes de sonotrodo de até 170 mícrons
• pressões de líquido de até 10 bar
• vazões de líquido de até 15L/min (dependendo do processo)
• temperaturas do líquido de até 80 °C (outras temperaturas a pedido)
• Viscosidade do material de até 100.000cp

 

Além disso, a ultrassonografia como método de purificação assistida por polímero permite remover as impurezas dos SWCNTs crescidos de forma eficaz. É difícil estudar a modificação química dos SWCNTs em nível molecular, porque é difícil obter SWNTs puros. Os SWCNTs crescidos contêm muitas impurezas, como partículas de metal e carbonos amorfos. A ultrassonografia de SWCNTs em uma solução de monoclorobenzeno (MCB) de poli(metacrilato de metila) PMMA seguida de filtração é uma maneira eficaz de purificar SWCNTs. Este método de purificação assistida por polímero permite remover as impurezas dos SWCNTs crescidos de forma eficaz. O controle preciso da amplitude da ultrassonografia permite evitar ou limitar danos aos SWCNTs.

Equipamento ultrassônico

Hielscher oferece alto desempenho processadores ultra-sônicos para a sonicação de cada volume. Dispositivos ultrassônicos de 50 watts a 16.000 watts, que podem ser configurados em clusters, permitem encontrar o ultrassônico apropriado para cada aplicação, tanto no laboratório quanto na indústria. Para a dispersão sofisticada de nanotubos, recomenda-se uma sonicação contínua. Usando as células de fluxo de Hielscher, torna-se possível dispersar CNTs em líquidos de viscosidade elevada, como polímeros, fundidos de alta viscosidade e termoplásticos.

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