CNTs uniformemente dispersos por ultrassom
Para explorar as funcionalidades excepcionais dos nanotubos de carbono (CNT), estes devem ser dispersos de forma homogénea.
Os dispersores ultra-sónicos são a ferramenta mais comum para distribuir os CNT em suspensões aquosas e à base de solventes.
A tecnologia de dispersão ultra-sónica cria uma energia de cisalhamento suficientemente elevada para conseguir uma separação completa dos CNTs sem os danificar.
Dispersão ultra-sónica de nanotubos de carbono
Os nanotubos de carbono (CNT) têm um rácio de aspeto muito elevado e apresentam uma baixa densidade, bem como uma enorme área de superfície (várias centenas de m2/g), o que lhes confere propriedades únicas, como uma resistência à tração, rigidez e tenacidade muito elevadas e uma condutividade eléctrica e térmica muito elevada. Devido às forças de Van der Waals, que atraem os nanotubos de carbono (CNT) uns para os outros, os CNT organizam-se normalmente em feixes ou meadas. Estas forças de atração intermoleculares baseiam-se num fenómeno de empilhamento de ligações π entre nanotubos adjacentes, conhecido como empilhamento π. Para tirar o máximo proveito dos nanotubos de carbono, estes aglomerados devem ser desembaraçados e os CNTs devem ser distribuídos uniformemente numa dispersão homogénea. A ultra-sons intensos cria cavitação acústica em líquidos. A tensão de cisalhamento local assim gerada quebra os agregados de CNT e dispersa-os uniformemente numa suspensão homogénea. A tecnologia de dispersão ultra-sônica cria energia de cisalhamento suficientemente alta para alcançar uma separação completa de CNTs sem danificá-los. Mesmo para os SWNTs sensíveis, a sonicação é aplicada com sucesso para os desembaraçar individualmente. Ultrasonication apenas fornece um nível de tensão suficiente para separar os agregados SWNT sem causar muita fratura para nanotubos individuais (Huang, Terentjev 2012).
- CNTs de dispersão única
- Distribuição homogénea
- Elevada eficiência de dispersão
- Elevadas cargas de CNT
- Sem degradação dos CNT
- Processamento rápido
- controlo preciso do processo
UIP2000hdT – Ultrasonicador potente de 2 kW para dispersões de CNT
Sistemas ultra-sónicos de elevado desempenho para dispersões de CNT
A Hielscher Ultrasonics fornece equipamento de ultra-sons potente e fiável para a dispersão eficiente de CNTs. Quer necessite de preparar pequenas amostras de CNT para análise e R&Se tiver de fabricar grandes lotes industriais de dispersões a granel, a gama de produtos da Hielscher oferece o sistema de ultra-sons ideal para as suas necessidades. De Ultra-sons de 50 W para laboratório até Unidades ultra-sónicas industriais de 16kW para o fabrico comercial, a Hielscher Ultrasonics tem tudo o que 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 de CNT. Os ultrasonicators da Hielscher não só permitem o controle preciso de cada parâmetro, todos os parâmetros do processo são automaticamente gravados no cartão SD integrado dos sistemas ultra-sônicos digitais da Hielscher. O protocolo de cada processo de sonicação ajuda a garantir resultados reprodutíveis e qualidade consistente. Através do controlo remoto via browser, o utilizador pode operar e monitorizar o dispositivo de ultra-sons sem estar no local do sistema de ultra-sons.
Uma vez que os nanotubos de carbono de parede simples (SWNTs) e os nanotubos de carbono de parede múltipla (MWNTs), bem como o meio aquoso ou solvente selecionado, requerem intensidades de processamento específicas, a amplitude ultra-sónica é um fator-chave quando se trata do produto final. Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultra-sónicos industriais podem fornecer amplitudes muito elevadas ou muito reduzidas. Estabeleça a amplitude ideal para os requisitos do seu processo. Mesmo amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultra-sónicos personalizados. A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em serviço pesado e em ambientes exigentes.
Os nossos clientes estão satisfeitos com a extraordinária robustez e fiabilidade dos sistemas da Hielscher Ultrasonic. A instalação em campos de aplicações pesadas, ambientes exigentes e operação 24/7 garantem um processamento eficiente e económico. A intensificação do processo ultrassónico reduz o tempo de processamento e alcança melhores resultados, ou seja, maior qualidade, maiores rendimentos, produtos inovadores.
O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:
| Volume do lote | caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 0.5 a 1,5mL | n.d. | 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.d. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | maior | grupo 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 (CNT) fazem parte de uma classe especial de materiais de carbono unidimensionais, que apresentam propriedades mecânicas, eléctricas, térmicas e ópticas excepcionais. São um dos principais componentes utilizados no desenvolvimento e produção de nanomateriais avançados, como nanocompósitos, polímeros reforçados, etc., sendo, por conseguinte, utilizados em tecnologias de ponta. Os CNT apresentam uma resistência à tração muito elevada, propriedades de transferência térmica superiores, baixos desvios de banda e uma óptima estabilidade química e física, o que faz dos nanotubos um aditivo promissor para múltiplos materiais.
Consoante a sua estrutura, os CNTS distinguem-se em nanotubos de carbono de parede simples (SWNTs), nanotubos de carbono de parede dupla (DWCNTs) e nanotubos de carbono de parede múltipla (MWNTs).
Os SWNT são tubos cilíndricos longos e ocos feitos de uma parede de carbono com um átomo de espessura. A folha atómica de carbono está disposta numa estrutura em favo de mel. São frequentemente comparados, em termos conceptuais, a folhas enroladas de grafite ou grafeno de camada única.
Os DWCNTs são constituídos por dois nanotubos de parede simples, com um aninhado dentro do outro.
Os MWNT são uma forma de CNT, em que múltiplos nanotubos de carbono de parede simples estão aninhados uns dentro dos outros. Dado que o seu diâmetro varia entre 3-30 nm e que podem crescer vários cm de comprimento, o seu rácio de aspeto pode variar entre 10 e dez milhões. Em comparação com as nanofibras de carbono, os MWNT têm uma estrutura de parede diferente, um diâmetro exterior mais pequeno e um interior oco. Os tipos de MWNT disponíveis industrialmente mais utilizados são, por exemplo, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 e FutureCarbon CNT-MW.
Síntese de CNTs: Os CNT podem ser produzidos através de um método de síntese baseado em plasma ou de evaporação por descarga de arco, método de ablação por laser, processo de síntese térmica, deposição química de vapor (CVD) ou deposição química de vapor com recurso a plasma.
Funcionalização de CNTs: Para melhorar as caraterísticas dos nanotubos de carbono e torná-los assim mais adequados a uma aplicação específica, os CNT são frequentemente funcionalizados, por exemplo, através da adição de grupos ácido carboxílico (-COOH) ou hidroxilo (-OH).
Aditivos dispersantes de CNT
Alguns solventes, como os superácidos, os líquidos iónicos e a N-ciclohexil-2-pirrolidnona, são capazes de preparar dispersões de CNTs em concentrações relativamente elevadas, enquanto os solventes mais comuns para os nanotubos, como a N-metil-2-pirrolidona (NMP), a dimetilformamida (DMF) e o 1,2-dicrolobenzeno, só podem dispersar os nanotubos em concentrações muito baixas (por exemplo, tipicamente <0.02 wt% de CNTs de parede simples). Os agentes de dispersão mais comuns são a polivinilpirrolidona (PVP), o Dodecil Benzeno Sulfonato de Sódio (SDBS), o Triton 100 ou o Dodecil Sulfonato de Sódio (SDS).
Os cresóis são um grupo de produtos químicos industriais que podem processar CNTs em concentrações até dezenas de percentagem em peso, resultando numa transição contínua de dispersões diluídas, pastas espessas e géis independentes para um estado semelhante a uma massa de modelar sem precedentes, à medida que a carga de CNT aumenta. Estes estados exibem propriedades reológicas e viscoelásticas semelhantes às dos polímeros, que não são alcançáveis com outros solventes comuns, sugerindo que os nanotubos estão de facto 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 das dispersões de CNT
Os CNTs uniformemente dispersos são utilizados para o fabrico de plásticos condutores, ecrãs de cristais líquidos, díodos orgânicos emissores de luz, ecrãs tácteis, ecrãs flexíveis, células solares, tintas condutoras, materiais de controlo estático, incluindo películas, espumas, fibras e tecidos, revestimentos e adesivos poliméricos, compósitos poliméricos de elevado desempenho com excecional resistência mecânica e tenacidade, fibras compósitas 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 (CNT), fulerenos (por exemplo, C60).
- Formas amorfas: Carvão vegetal, 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 os híbridos nanocarbono-metal.
Cada forma exibe propriedades físico-químicas distintas relevantes para aplicações em ciência dos materiais, eletrónica e armazenamento de energia.