Cum se dispersează individual nanotuburile de carbon cu un singur perete

Nanotuburile de carbon cu un singur perete (SWNT sau SWCNT) au caracteristici unice, dar pentru ca acestea să se manifeste, nanotuburile trebuie dispersate individual. Pentru a valorifica pe deplin caracteristicile excepționale ale nanotuburilor de carbon cu un singur perete, tuburile trebuie descâlcite cât mai complet. SWNT, ca și alte nanoparticule, prezintă forțe de atracție foarte mari, astfel încât este necesară o tehnică puternică și eficientă pentru o dezaglomerare și o dispersare fiabile. În timp ce tehnicile obișnuite de amestecare nu asigură intensitatea necesară pentru a descâlci SWNT fără a le deteriora, s-a dovedit că ultrasunetele de mare putere descâlcesc și dispersează SWCNT. Forțele de forfecare cavitaționale generate cu ultrasunete sunt suficient de puternice pentru a învinge forțele de legătură, în timp ce intensitatea ultrasunetelor poate fi ajustată cu precizie pentru a evita deteriorarea SWCNT.

Problemă:

Nanotuburile de carbon cu un singur perete (SWCNT) diferă de nanotuburile de carbon cu pereți multipli (MWNT/ MWCNT) prin proprietățile lor electrice. Banda interzisă a SWCNT poate varia de la zero la 2 eV, iar conductivitatea lor electrică prezintă un comportament metalic sau semiconductor. Deoarece nanotuburile de carbon cu un singur perete sunt foarte coezive, unul dintre obstacolele majore în prelucrarea SWCNT este insolubilitatea inerentă a tuburilor în solvenți organici sau în apă. Pentru a utiliza întregul potențial al SWCNT, este necesar un proces de dezaglomerare a tuburilor simplu, fiabil și scalabil. În special, funcționalizarea pereților laterali sau a capetelor deschise ale CNT pentru a crea o interfață adecvată între SWCNT și solventul organic are ca rezultat doar o exfoliere parțială a SWCNT. Prin urmare, SWCNT sunt dispersate în mare parte sub formă de mănunchiuri, și nu ca funii individuale dezaglomerate. Dacă condițiile din timpul dispersării sunt prea dure, SWCNT vor fi scurtate la lungimi cuprinse între 80 și 200nm. Pentru majoritatea aplicațiilor practice, adică pentru SWCNT semiconductoare sau de ranforsare, această lungime este prea mică.

Soluție:

Ultrasonicarea este o metodă foarte eficientă de dispersare și dezaglomerare a nanotuburilor de carbon, deoarece undele ultrasonice de intensitate ridicată generează cavitație în lichide. Undele sonore propagate în mediile lichide au ca rezultat alternarea ciclurilor de presiune înaltă (compresie) și de presiune joasă (rarefiere), cu rate care depind de frecvență. În timpul ciclului de presiune joasă, undele ultrasonice de intensitate ridicată creează mici bule de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energie, ele colapsează violent în timpul unui ciclu de presiune înaltă. Acest fenomen se numește cavitație. În timpul imploziei se ating local temperaturi foarte ridicate (aprox. 5.000K) și presiuni foarte ridicate (aprox. 2.000atm). Implozia bulei de cavitație are ca rezultat și jeturi de lichid cu viteze de până la 280m/s. Aceste jeturi de lichid rezultate din cavitația ultrasonică, înving forțele de legătură dintre nanotuburile de carbon și, prin urmare, nanotuburile devin dezaglomerate. Un tratament ultrasonic blând și controlat este o metodă adecvată pentru obținerea unor suspensii stabilizate cu surfactanți de SWCNT dispersate, cu lungime mare. Pentru producția controlată de SWCNT, procesoarele cu ultrasunete Hielscher permit funcționarea într-o gamă largă de seturi de parametri ultrasonici. Amplitudinea ultrasonică, presiunea lichidului și compoziția lichidului pot fi variate în funcție de materialul și procesul specific. Acest lucru oferă posibilități variabile de ajustare, cum ar fi

• amplitudini ale sonotrodei de până la 170 microni
• presiuni ale lichidului de până la 10 bari
• debite de lichid de până la 15L/min (în funcție de proces)
• temperaturi ale lichidului de până la 80 degC (alte temperaturi la cerere)
• vâscozitatea materialului de până la 100.000cp

 

În plus, ultrasonicarea, ca metodă de purificare asistată de polimeri, permite îndepărtarea eficientă a impurităților din SWCNT în starea rezultată din sinteză. Este dificil de studiat modificarea chimică a SWCNT la nivel molecular, deoarece este dificil să se obțină SWNT pure. SWCNT în starea rezultată din sinteză conțin numeroase impurități, cum ar fi particule metalice și forme de carbon amorf. Ultrasonicarea SWCNT într-o soluție de poli(metacrilat de metil) PMMA în monoclorobenzen (MCB), urmată de filtrare, este o modalitate eficientă de purificare a SWCNT. Această metodă de purificare asistată de polimeri permite îndepărtarea eficientă a impurităților din SWCNT în starea rezultată din sinteză. Controlul precis al amplitudinii ultrasonicării permite evitarea sau limitarea deteriorării SWCNT.

Echipamente cu ultrasunete

Hielscher oferă procesoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru sonicarea oricărui volum. Dispozitivele cu ultrasunete de la 50 wați până la 16.000 wați, care ar putea fi configurate în clustere, permit găsirea aparatului cu ultrasunete adecvat pentru fiecare aplicație, atât în laborator, cât și în industrie. Pentru dispersarea sofisticată a nanotuburilor se recomandă sonicarea continuă. Utilizând celulele de flux Hielscher, devine posibilă dispersarea CNT în lichide cu vâscozitate ridicată, precum polimeri, topituri de vâscozitate mare și termoplaste.

Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre dispersarea și modificarea nanotuburilor cu ultrasunete de mare putere!