Dispersão ultra-sônica de nanotubos de carbono (CNT)

Os nanotubos de carbono são fortes e flexíveis, mas muito coesos. São difíceis de dispersar em líquidos, como a água, o etanol, o óleo, o polímero ou a resina epóxida. Os ultra-sons são um método eficaz para obter – de dispersão única – nanotubos de carbono.

Os nanotubos de carbono (CNT) são utilizados em adesivos, revestimentos e polímeros e como cargas condutoras de eletricidade em plásticos para dissipar cargas estáticas em equipamentos eléctricos e em painéis de carroçaria de automóveis pintáveis por eletrostática. Através da utilização de nanotubos, os polímeros podem tornar-se mais resistentes a temperaturas, produtos químicos agressivos, ambientes corrosivos, pressões extremas e abrasão. Existem duas categorias de nanotubos de carbono: Os nanotubos de parede simples (SWNT) e os nanotubos de parede múltipla (MWNT).

Os nanotubos de carbono estão geralmente disponíveis como material seco, por exemplo, em empresas como Investigação SES ou CNT Co., Ltd. É necessário um processo simples, fiável e escalável para a desaglomeração, a fim de utilizar os nanotubos no seu potencial máximo. Para líquidos até 100.000cP, os ultra-sons são uma tecnologia muito eficaz para a dispersão de nanotubos em água, óleo ou polímeros em concentrações baixas ou elevadas. Os jactos de líquido resultantes da Cavitação ultra-sónicaOs ultra-sons, ao serem gerados, superam as forças de ligação entre os nanotubos e separam os tubos. Devido às forças de cisalhamento geradas por ultra-sons e às micro turbulências, os ultra-sons podem também ajudar no revestimento de superfícies e na reação química dos nanotubos com outros materiais.

Geralmente, uma dispersão de nanotubos grosseiros é primeiro pré-misturado por um agitador padrão e, em seguida, homogeneizado no reator de célula de fluxo de ultra-sons. O vídeo abaixo mostra um ensaio de laboratório (sonicação lote usando um UP400S) dispersando nanotubos de carbono de paredes múltiplas em água a baixa concentração. Devido à natureza química do carbono o comportamento de dispersão de nanotubos em água é bastante difícil. Como mostrado no vídeo, pode ser facilmente demonstrado que a ultra-sons é capaz de dispersar nanotubos de forma eficaz.

Dispersão de SWNTs individuais de elevado comprimento

Um dos principais problemas no processamento e manipulação de SWNTs é a insolubilidade inerente dos tubos em solventes orgânicos comuns e em água. A funcionalização da parede lateral do nanotubo ou das extremidades abertas para criar uma interface adequada entre os SWNTs e o solvente conduz, na maior parte dos casos, apenas à esfoliação parcial dos cordões de SWNTs.
Consequentemente, os SWNTs são normalmente dispersos como feixes e não como objectos individuais totalmente isolados. Quando são utilizadas condições demasiado rigorosas durante a dispersão, os SWNTs são encurtados para comprimentos entre 80 e 200nm. Embora isto seja útil para certos testes, este comprimento é demasiado pequeno para a maioria das aplicações práticas, tais como SWNTs semicondutores ou de reforço. O tratamento ultrassónico suave e controlado (por exemplo, por UP200Ht com sonotrodo de 40 mm) é um procedimento eficaz para preparar dispersões aquosas de SWNTs longos e individuais. Sequências de ultra-sons suaves minimizam o encurtamento e permitem a preservação máxima das propriedades estruturais e electrónicas.

Purificação de SWNT por ultra-sons assistida por polímero

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

Hielscher's vasta gama de dispositivos ultra-sónicos e acessórios para a dispersão eficiente de nanotubos.

• Aparelhos de laboratório compactos de até 400 watts de potência de ultrassom para a dispersão em volumes mais pequenos, até 2 litros
• UIP500hdt, UIP1000hdt e UIP1500hdT são processadores ultra-sónicos que podem processar volumes maiores.
• Sistemas ultra-sónicos de 2kW (UIP2000hdT) e 4kW (UIP4000hdT) pode ser utilizada para a dispersão de nanotubos de carbono à escala de produção. UIP10000 (10 quilowatts) e o UIP16000 (16 quilowatts) pode ser utilizado em grupos de várias unidades individuais para o processamento em grande escala de nanotubos de carbono.”

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.