CNTs uniformemente dispersos por ultrassom
Para explorar as funcionalidades excepcionais dos nanotubos de carbono (CNTs), eles devem ser homogeneamente dispersos.
Os dispersores ultrassônicos são a ferramenta mais comum para distribuir CNTs em suspensões aquosas e à base de solvente.
A tecnologia de dispersão ultrassônica cria energia de cisalhamento suficientemente alta para obter uma separação completa dos CNTs sem danificá-los.
Dispersão ultrassônica de nanotubos de carbono
Os nanotubos de carbono (CNTs) têm uma proporção muito alta e exibem uma baixa densidade, bem como uma enorme área de superfície (várias centenas de m2/g), o que lhes confere propriedades únicas, como resistência à tração, rigidez e tenacidade muito altas e uma condutividade elétrica e térmica muito alta. Devido às forças de Van der Waals, que atraem os nanotubos de carbono individuais (CNTs) uns para os outros, os CNTs se organizam normalmente em feixes ou novelos. Essas forças intermoleculares de atração são baseadas em um fenômeno de empilhamento de ligações π entre nanotubos adjacentes conhecido como empilhamento π. Para obter o benefício total dos nanotubos de carbono, esses aglomerados devem ser desembaraçados e os CNTs devem ser distribuídos uniformemente em uma dispersão homogênea. A ultrassonografia intensa cria cavitação acústica em líquidos. A tensão de cisalhamento local assim gerada quebra os agregados CNT e os dispersa uniformemente em uma suspensão homogênea. A tecnologia de dispersão ultrassônica cria energia de cisalhamento suficientemente alta para obter uma separação completa dos CNTs sem danificá-los. Mesmo para os SWNTs sensíveis, a sonicação é aplicada com sucesso para desembaraçá-los individualmente. A ultrassonografia apenas fornece um nível de tensão suficiente para separar os agregados SWNT sem causar muita fratura em nanotubos individuais (Huang, Terentjev 2012).
- CNTs de dispersão única
- Distribuição homogênea
- Alta eficiência de dispersão
- Altas cargas CNT
- Sem degradação de CNT
- Processamento rápido
- Controle preciso do processo
UIP2000hdT – Ultrasonicator poderoso de 2kW para dispersões CNT
Sistemas ultrassônicos de alto desempenho para dispersões CNT
A Hielscher Ultrasonics fornece equipamentos ultrassônicos poderosos e confiáveis para a dispersão eficiente de CNTs. Se você precisa preparar pequenas amostras CNT para análise e R&D ou você tem que fabricar grandes lotes industriais de dispersões a granel, a linha de produtos da Hielscher oferece o sistema ultrassônico ideal para suas necessidades. De Ultrassônicos de 50 W para laboratório até Unidades ultrassônicas industriais de 16kW para fabricação comercial, a Hielscher Ultrasonics tem tudo o que você precisa.
Para produzir dispersões de nanotubos de carbono de alta qualidade, os parâmetros do processo devem ser bem controlados. Amplitude, temperatura, pressão e tempo de retenção são os parâmetros mais críticos para uma distribuição uniforme do CNT. Os ultrasonicadores da Hielscher não apenas permitem o controle preciso de cada parâmetro, mas todos os parâmetros do processo são registrados automaticamente no cartão SD integrado dos sistemas ultrassônicos digitais da Hielscher. O protocolo de cada processo de sonicação ajuda a garantir resultados reprodutíveis e qualidade consistente. Através do controle remoto do navegador, o usuário pode operar e monitorar o dispositivo ultrassônico sem estar no local do sistema ultrassônico.
Como os nanotubos de carbono de parede única (SWNTs) e os nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWNTs), bem como o meio aquoso ou solvente selecionado, requerem intensidades de processamento específicas, a amplitude ultrassônica é um fator chave quando se trata do produto final. Ultrassom de Hielscher’ Os processadores ultrassônicos industriais podem fornecer amplitudes muito altas e muito suaves. Estabeleça a amplitude ideal para os requisitos do seu processo. Mesmo amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados. A robustez do equipamento ultrassônico da Hielscher permite operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em ambientes pesados e exigentes.
Nossos clientes estão satisfeitos com a excelente robustez e confiabilidade dos sistemas da Hielscher Ultrasonic. A instalação em campos de aplicações pesadas, ambientes exigentes e operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, garantem um processamento eficiente e econômico. A intensificação do processo ultrassônico reduz o tempo de processamento e alcança melhores resultados, ou seja, maior qualidade, maior rendimento, produtos inovadores.
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:
| Volume do lote | Vazão | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 0.5 a 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 a 20L | 0.2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | maior | cluster de UIP16000 |
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Literatura / Referências
- SOP – Ultrasonic Dispersion of Multi-Walled Carbon-Nanotubes using the UP400ST Sonicator – Hielscher Ultrasonics
- 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.
Fatos, vale a pena conhecer
O que são nanotubos de carbono
Os nanotubos de carbono (CNTs) fazem parte de uma classe especial de materiais de carbono unidimensionais, exibindo propriedades mecânicas, elétricas, térmicas e ópticas excepcionais. São um componente importante utilizado no desenvolvimento e produção de nanomateriais avançados, tais como nanocompósitos, polímeros reforçados, etc., sendo, por conseguinte, utilizados em tecnologias de ponta. Os CNTs expõem uma resistência à tração muito alta, propriedades superiores de transferência térmica, lacunas de banda baixa e ótima estabilidade química e física, o que torna os nanotubos um aditivo promissor para materiais múltiplos.
Dependendo de sua estrutura, os CNTS são distinguidos em nanotubos de carbono de parede única (SWNTs), nanotubos de carbono de parede dupla (DWCNTs) e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWNTs).
SWNTs são tubos cilíndricos ocos e longos feitos de uma parede de carbono de um átomo de espessura. A folha atômica de carbonos é disposta em uma rede de favo de mel. Freqüentemente, eles são conceitualmente comparados a folhas enroladas de grafite ou grafeno de camada única.
Os DWCNTs são compostos por dois nanotubos de parede única, com um aninhado dentro do outro.
MWNTs são uma forma CNT, onde vários nanotubos de carbono de parede única são aninhados uns dentro dos outros. Como seu diâmetro varia entre 3 e 30 nm e como podem crescer vários centímetros de comprimento, sua proporção pode variar entre 10 e dez milhões. Em comparação com as nanofibras de carbono, os MWNTs têm uma estrutura de parede diferente, um diâmetro externo menor e um interior oco. Os MWNTs comumente usados industrialmente disponíveis são, por exemplo, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 e FutureCarbon CNT-MW.
Síntese de CNTs: Os CNTs podem ser produzidos pelo método de síntese baseado em plasma ou método de evaporação por descarga de arco, método de ablação a laser, processo de síntese térmica, deposição de vapor químico (CVD) ou deposição de vapor químico aprimorada por plasma.
Funcionalização de CNTs: Para melhorar as características dos nanotubos de carbono e torná-los mais adequados a uma aplicação específica, os CNTs são frequentemente funcionalizados, por exemplo, adicionando grupos ácido carboxílico (-COOH) ou hidroxila (-OH).
Aditivos de dispersão CNT
Alguns solventes, como superácidos, líquidos iônicos e N-ciclohexil-2-pirrolidona, são capazes de preparar dispersões de concentração relativamente alta de CNTs, enquanto os solventes mais comuns para nanotubos, como N-metil-2-pirrolidona (NMP), dimetilformamida (DMF) e 1,2-dicrolobenzeno, podem dispersar nanotubos apenas em concentrações muito baixas (por exemplo, normalmente <00,02% em peso de CNTs de parede simples). Os agentes de dispersão mais comuns são polivinilpirrolidona (PVP), Dodecil Benzeno Sulfonato de Sódio (SDBS), Triton 100 ou Dodecil Sulfonato de Sódio (SDS).
Os cresóis são um grupo de produtos químicos industriais que podem processar CNTs em concentrações de até dezenas de por cento em peso, resultando em uma transição contínua de dispersões diluídas, pastas grossas e géis independentes para um estado semelhante a massinha sem precedentes, à medida que a carga de CNT aumenta. Esses estados exibem propriedades reológicas e viscoelásticas semelhantes a polímeros, que não são atingíveis com outros solventes comuns, sugerindo que os nanotubos são de fato desagregados e finamente dispersos em cresóis. Os cresóis podem ser removidos após o processamento por aquecimento ou lavagem, sem alterar a superfície dos CNTs. [Chiou et al. 2018]
Aplicações de dispersões CNT
Para usar os benefícios dos CNTs, eles devem ser dispersos em um líquido, como polímeros, CNTs uniformemente dispersos são usados para a fabricação de plásticos condutores, telas de cristal líquido, diodos emissores de luz orgânicos, telas sensíveis ao toque, telas flexíveis, células solares, tintas condutoras, materiais de controle estático, incluindo filmes, espumas, fibras e tecidos, revestimentos e adesivos poliméricos, compósitos poliméricos de alto desempenho com excepcional resistência mecânica e tenacidade, fibras compostas de polímero/CNT, bem como materiais leves e antiestáticos.
Quais são as formas de carbono?
O carbono existe em vários alótropos, incluindo:
- Formas cristalinas: Diamante, grafite, grafeno, nanotubos de carbono (CNTs), fulerenos (por exemplo, C60).
- Formas amorfas: carvão, fuligem, negro de fumo, carbono vítreo, carbono tipo diamante (DLC), carbono amorfo monocamada (MAC).
- Nanoestruturas híbridas: nanodiamantes, cebolas de carbono, aerogéis de carbono e compósitos como híbridos de nanocarbono-metal.
Cada forma exibe propriedades físico-químicas distintas relevantes para aplicações em ciência de materiais, eletrônica e armazenamento de energia.