Dispersarea cu ultrasunete a nanotuburilor de carbon (CNT)
Nanotuburile de carbon sunt rezistente și flexibile, dar foarte coezive. Ele sunt dificil de dispersat în lichide, cum ar fi apa, etanolul, uleiul, polimerii sau rășina epoxidică. Ultrasunetele reprezintă o metodă eficientă pentru obținerea de nanotuburi de carbon discrete – dispersate individual.
Nanotuburile de carbon (CNT) sunt utilizate în adezivi, acoperiri și polimeri, precum și ca materiale de umplutură conductoare electric în materialele plastice, pentru disiparea sarcinilor statice în echipamentele electrice și în panourile de caroserie auto vopsibile electrostatic. Prin utilizarea nanotuburilor, polimerii pot fi făcuți mai rezistenți la temperaturi, substanțe chimice agresive, medii corozive, presiuni extreme și abraziune. Există două categorii de nanotuburi de carbon: nanotuburi cu un singur perete (SWNT) și nanotuburi cu pereți multipli (MWNT).
Omogenizator industrial cu ultrasunete UIP1500hdT pentru dispersarea nanotuburilor de carbon (CNT) și a altor nanomateriale.
Nanotuburile de carbon sunt în general disponibile ca material uscat, de ex. de la companii precum SES Research sau CNT Co., Ltd. Este necesar un proces simplu, fiabil și scalabil de dezaglomerare, pentru a valorifica la maximum potențialul nanotuburilor. Pentru lichide de până la 100.000cP, ultrasunetele reprezintă o tehnologie foarte eficientă pentru dispersarea nanotuburilor în apă, ulei sau polimeri, la concentrații scăzute sau ridicate. Jeturile de lichid rezultate din cavitația ultrasonică, depășesc forțele de legătură dintre nanotuburi și separă tuburile. Datorită forțelor de forfecare și microturbulențelor generate ultrasonic, ultrasunetele pot contribui, de asemenea, la acoperirea suprafeței și la reacția chimică a nanotuburilor cu alte materiale.
În general, o dispersie grosieră de nanotuburi este mai întâi preamestecată cu un agitator standard și apoi omogenizată în reactorul cu celulă de flux ultrasonic. Videoclipul de mai jos prezintă un test de laborator (sonicare în șarjă folosind un UP400S) de dispersare a nanotuburilor de carbon cu pereți multipli în apă, la concentrație scăzută. Din cauza naturii chimice a carbonului, comportamentul de dispersare al nanotuburilor în apă este destul de dificil. Așa cum se arată în videoclip, se poate demonstra cu ușurință că ultrasonicarea este capabilă să disperseze eficient nanotuburile.
Comparație între diferite nanomateriale de umplutură dispersate în întăritor prin ultrasonicare cu sondă): (a) 0,5 wt% nanofibră de carbon (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxid; (c) 0,5 wt% nanotub de carbon (CNT); (d) 0,5 wt% CNT semidispersat.
Studiu și imagine: ©Zanghellini et al., 2021
Dispersarea SWNT individuale de lungime mare
O problemă majoră pentru procesarea și manipularea SWNT este insolubilitatea inerentă a tuburilor în solvenții organici uzuali și în apă. Funcționalizarea peretelui lateral al nanotuburilor sau a capetelor deschise, pentru a crea o interfață adecvată între SWNT și solvent, conduce de cele mai multe ori doar la exfolierea parțială a fasciculelor de SWNT.
Ca urmare, SWNT sunt de obicei dispersate sub formă de mănunchiuri, mai degrabă decât ca obiecte individuale complet izolate. Atunci când în timpul dispersării se aplică condiții prea dure, SWNT sunt scurtate la lungimi cuprinse între 80 și 200nm. Deși acest lucru este util pentru anumite teste, această lungime este prea mică pentru majoritatea aplicațiilor practice, cum ar fi SWNT semiconductoare sau de ranforsare. Tratamentul ultrasonic controlat și blând (de ex. cu UP200Ht cu sonotrodă de 40mm) este o procedură eficientă pentru prepararea dispersiilor apoase de SWNT individuale lungi. Secvențele de ultrasonicare blândă minimizează scurtarea și permit păstrarea maximă a proprietăților structurale și electronice.
Purificarea SWNT prin ultrasonicare asistată de polimeri
Este dificil de studiat modificarea chimică a SWNT la nivel molecular, deoarece este dificil să se obțină SWNT pure. SWNT obținute direct din sinteză conțin multe impurități, cum ar fi particule metalice și carbon amorf. Ultrasonicarea SWNT într-o soluție de poli(metacrilat de metil) PMMA în monoclorbenzen (MCB), urmată de filtrare, reprezintă o modalitate eficientă de purificare a SWNT. Această metodă de purificare asistată de polimeri permite îndepărtarea eficientă a impurităților din SWNT obținute direct din sinteză. (Yudasaka et al.) Controlul precis al amplitudinii ultrasonicării permite limitarea deteriorării SWNT.
Hielscher oferă o gamă largă de dispozitive cu ultrasunete și accesorii pentru dispersarea eficientă a nanotuburilor.
- Dispozitive compacte de laborator de până la 400 de wați putere ultrasonică pentru dispersarea în volume mai mici, de până la 2 litri
- UIP500hdT, UIP1000hdT și UIP1500hdT sunt procesoare cu ultrasunete care pot procesa volume mai mari.
- Sistemele cu ultrasunete de 2kW (UIP2000hdT) și 4kW (UIP4000hdT) pot fi utilizate pentru dispersarea nanotuburilor de carbon la scară de producție. Sistemele UIP10000 (10 kilowați) și UIP16000 (16 kilowați) pot fi utilizate în clustere de mai multe unități individuale pentru procesarea la scară largă a nanotuburilor de carbon.”
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Literatură de specialitate
- 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.
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță, de la scară de laborator până la scară industrială.