Dispersão ultrassónica de nanotubos de carbono (CNT)
Os nanotubos de carbono são resistentes e flexíveis, mas muito coesivos. São difíceis de dispersar em líquidos, como água, etanol, óleo, polímero ou resina epóxi. Os ultrassons são um método eficaz para obter nanotubos de carbono discretos – dispersos individualmente.
Os nanotubos de carbono (CNT) são utilizados em adesivos, revestimentos e polímeros e como cargas eletricamente condutoras em plásticos para dissipar cargas estáticas em equipamentos elétricos e em painéis de carroçarias de automóveis que podem ser pintados eletrostaticamente. A utilização de nanotubos permite tornar os polímeros mais resistentes às temperaturas, a produtos químicos agressivos, a ambientes corrosivos, a pressões extremas e à abrasão. Existem duas categorias de nanotubos de carbono: nanotubos de parede simples (SWNT) e nanotubos de paredes múltiplas (MWNT).
Homogeneizador ultrassónico industrial UIP1500hdT para dispersar nanotubos de carbono (CNT) e outros nanomateriais.
Os nanotubos de carbono estão geralmente disponíveis como material seco, por exemplo, de empresas como SES Research ou CNT Co., Ltd. É necessário um processo de desaglomeração simples, fiável e escalável para aproveitar ao máximo o potencial dos nanotubos. Para líquidos com viscosidades até 100 000cP, os ultrassons são uma tecnologia muito eficaz para dispersar nanotubos em água, óleo ou polímeros, em concentrações baixas ou elevadas. Os jatos de líquido resultantes da cavitação ultrassónica superam as forças de ligação entre os nanotubos e separam-nos. Devido às forças de cisalhamento e às microturbulências geradas por ultrassons, estes também podem auxiliar o revestimento superficial e a reação química dos nanotubos com outros materiais.
Geralmente, uma dispersão grosseira de nanotubos é primeiro pré-misturada com um agitador convencional e depois homogeneizada no reator ultrassónico com célula de fluxo. O vídeo abaixo mostra um ensaio laboratorial (sonicação em lote utilizando um UP400S) em que se dispersam nanotubos de carbono de paredes múltiplas em água, em baixa concentração. Devido à natureza química do carbono, a dispersão dos nanotubos em água é bastante difícil. Como se mostra no vídeo, é fácil demonstrar que a sonicação é capaz de dispersar os nanotubos eficazmente.
Comparação de diferentes nanocargas dispersas num endurecedor utilizando sonicação com sonda): (a) 0,5 wt% de nanofibra de carbono (CNF); (b) 0,5 wt% de CNToxid; (c) 0,5 wt% de nanotubo de carbono (CNT); (d) 0,5 wt% de CNT parcialmente disperso.
Estudo e imagem: ©Zanghellini et al., 2021
Dispersão de SWNT individuais de grande comprimento
Um dos principais problemas no processamento e na manipulação de SWNT é a insolubilidade inerente dos nanotubos em solventes orgânicos comuns e em água. A funcionalização da parede lateral ou das extremidades abertas dos nanotubos para criar uma interface adequada entre os SWNT e o solvente conduz, na maioria dos casos, apenas à esfoliação parcial dos feixes de SWNT em forma de corda.
Como resultado, os SWNT são normalmente dispersos em feixes, em vez de objetos individuais completamente isolados. Quando se utilizam condições demasiado agressivas durante a dispersão, os SWNT são encurtados para comprimentos entre 80 e 200nm. Embora isto seja útil para determinados ensaios, este comprimento é demasiado pequeno para a maioria das aplicações práticas, como a utilização de SWNT como semicondutores ou elementos de reforço. Um tratamento ultrassónico controlado e suave (por exemplo, com o UP200Ht com sonotrodo de 40mm) é um procedimento eficaz para preparar dispersões aquosas de SWNT individuais longos. Sequências de sonicação suave minimizam o encurtamento e permitem a máxima preservação das propriedades estruturais e eletrónicas.
Purificação de SWNT por sonicação assistida por polímeros
É difícil estudar a modificação química dos SWNT ao nível molecular, porque é difícil obter SWNT puros. Os SWNT tal como são produzidos contêm muitas impurezas, como partículas metálicas e carbonos amorfos. A sonicação de SWNT numa solução de poli(metacrilato de metilo) PMMA em monoclorobenzeno (MCB), seguida de filtração, é uma forma eficaz de purificar os SWNT. Este método de purificação assistido por polímeros permite remover eficazmente as impurezas dos SWNT tal como são produzidos. (Yudasaka et al.) O controlo preciso da amplitude da sonicação permite limitar os danos nos SWNT.
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- Sistemas ultrassónicos de 2kW (UIP2000hdT) e 4kW (UIP4000hdT) podem ser utilizados para a dispersão de nanotubos de carbono à escala de produção. O UIP10000 (10 quilowatts) e o UIP16000 (16 quilowatts) podem ser utilizados em conjuntos de várias unidades individuais para o processamento de nanotubos de carbono em grande escala.”
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Bibliografia
- 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.
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