CNT-uri dispersate uniform prin ultrasonicare

Pentru a exploata funcționalitățile excepționale ale nanotuburilor de carbon (CNT-uri), acestea trebuie dispersate omogen.
Dispersoarele cu ultrasunete sunt cel mai comun instrument pentru distribuirea CNT-urilor în suspensii apoase și pe bază de solvenți.
Tehnologia de dispersare cu ultrasunete generează o energie de forfecare suficient de mare pentru a obține o separare completă a CNT-urilor fără a le deteriora.

Dispersarea cu ultrasunete a nanotuburilor de carbon

Nanotuburile de carbon (CNT-uri) au un raport de aspect foarte ridicat și prezintă o densitate scăzută, precum și o suprafață specifică enormă (câteva sute de m2/g), ceea ce le conferă proprietăți unice, cum ar fi rezistența la tracțiune, rigiditatea și tenacitatea foarte ridicate, precum și o conductivitate electrică și termică foarte ridicată. Din cauza forțelor Van der Waals, care atrag nanotuburile de carbon (CNT-uri) individuale unele către altele, CNT-urile se aranjează în mod normal în mănunchiuri sau ghemuri. Aceste forțe intermoleculare de atracție se bazează pe un fenomen de stivuire a legăturilor π între nanotuburile adiacente, cunoscut sub numele de π-stacking. Pentru a beneficia pe deplin de nanotuburile de carbon, aceste aglomerate trebuie descâlcite, iar CNT-urile trebuie distribuite uniform într-o dispersie omogenă. Ultrasonicarea intensă generează cavitație acustică în lichide. Tensiunea de forfecare locală generată astfel sparge agregatele de CNT și le dispersează uniform într-o suspensie omogenă. Tehnologia de dispersare cu ultrasunete generează o energie de forfecare suficient de mare pentru a obține o separare completă a CNT-urilor fără a le deteriora. Chiar și în cazul SWNT-urilor sensibile, sonicarea este aplicată cu succes pentru a le descâlci individual. Ultrasonicarea furnizează exact un nivel de tensiune suficient pentru a separa agregatele de SWNT fără a provoca multe fracturi ale nanotuburilor individuale (Huang, Terentjev 2012).

Avantajele dispersării CNT-urilor cu ultrasunete

CNT-uri dispersate individual
Distribuție omogenă
Eficiență ridicată a dispersării
Încărcări ridicate de CNT
Fără degradarea CNT-urilor
Procesare rapidă
Control precis al procesului

Nanofluidele sintetizate cu ultrasunete sunt agenți de răcire și fluide pentru schimbătoare de căldură eficiente. Nanomaterialele termoconductoare sporesc semnificativ transferul de căldură și capacitatea de disipare a căldurii. Sonicarea este o metodă consacrată pentru sinteza și funcționalizarea nanoparticulelor termoconductoare, precum și pentru producerea de nanofluide stabile și performante pentru aplicații de răcire.

Sisteme cu ultrasunete de înaltă performanță pentru dispersii de CNT

Hielscher Ultrasonics furnizează echipamente cu ultrasunete puternice și fiabile pentru dispersarea eficientă a CNT-urilor. Indiferent dacă trebuie să pregătiți probe mici de CNT pentru analiză și R&D sau trebuie să fabricați loturi industriale mari de dispersii în vrac, gama de produse Hielscher oferă sistemul cu ultrasunete ideal pentru cerințele dumneavoastră. De la ultrasonicatoare de 50W pentru laborator până la unități industriale cu ultrasunete de 16kW pentru producția comercială, Hielscher Ultrasonics vă acoperă toate necesitățile.
Pentru a produce dispersii de nanotuburi de carbon de înaltă calitate, parametrii de proces trebuie bine controlați. Amplitudinea, temperatura, presiunea și timpul de retenție sunt parametrii cei mai critici pentru o distribuție uniformă a CNT-urilor. Ultrasonicatoarele Hielscher nu numai că permit controlul precis al fiecărui parametru, ci toți parametrii de proces sunt înregistrați automat pe cardul SD integrat al sistemelor digitale cu ultrasunete Hielscher. Protocolul fiecărui proces de sonicare ajută la asigurarea unor rezultate reproductibile și a unei calități constante. Prin controlul de la distanță prin browser, utilizatorul poate opera și monitoriza dispozitivul cu ultrasunete fără a se afla la locația sistemului cu ultrasunete.
Deoarece nanotuburile de carbon cu un singur perete (SWNT) și nanotuburile de carbon cu pereți multipli (MWNT), precum și mediul apos sau solvent ales necesită intensități de procesare specifice, amplitudinea ultrasonică este un factor-cheie în ceea ce privește produsul final. Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics pot furniza atât amplitudini foarte mari, cât și amplitudini foarte blânde. Stabiliți amplitudinea ideală pentru cerințele procesului dumneavoastră. Chiar și amplitudini de până la 200µm pot fi rulate ușor și continuu în regim 24/7. Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate. Robustețea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim intens și în medii solicitante.
Clienții noștri sunt mulțumiți de robustețea și fiabilitatea remarcabile ale sistemelor Hielscher Ultrasonic. Instalarea în domenii de aplicații intensive, în medii solicitante și în funcționare 24/7 asigură o procesare eficientă și economică. Intensificarea proceselor cu ultrasunete reduce timpul de procesare și obține rezultate mai bune, adică o calitate mai înaltă, randamente mai mari, produse inovatoare.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Volumul lotului	Debit	Dispozitive recomandate
0,5 până la 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 până la 500mL	10 până la 200mL/min	UP100H
10 până la 2000mL	20 până la 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 până la 20L	0,2 până la 4L/min	UIP2000hdT
10 până la 100L	2 până la 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 până la 100L/min	UIP16000
n.a.	mai mare	cluster de UIP16000

Contactați-ne! / Întrebați-ne!

Dispersarea ultrasonică a nanotuburilor de carbon: sonicatorul Hielscher UP400S (400W) dispersează și separă rapid și eficient nanotuburile de carbon încurcate, obținând nanotuburi individuale.

Subiecte conexe

Literatură / Referințe

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.

Informații utile

Ce sunt nanotuburile de carbon

Nanotuburile de carbon (CNT-uri) fac parte dintr-o clasă specială de materiale de carbon unidimensionale, care prezintă proprietăți mecanice, electrice, termice și optice excepționale. Ele reprezintă o componentă majoră utilizată în dezvoltarea și producția de nanomateriale avansate, cum ar fi nanocompozitele, polimerii ranforsați etc., și sunt, prin urmare, utilizate în tehnologii de ultimă generație. CNT-urile prezintă o rezistență la tracțiune foarte ridicată, proprietăți superioare de transfer termic, benzi interzise mici și o stabilitate chimică și fizică optimă, ceea ce face din nanotuburi un aditiv promițător pentru numeroase materiale.
În funcție de structura lor, CNTS se împart în nanotuburi de carbon cu un singur perete (SWNT), nanotuburi de carbon cu perete dublu (DWCNT) și nanotuburi de carbon cu pereți multipli (MWNT).
SWNT-urile sunt tuburi cilindrice lungi și goale, formate dintr-un perete de carbon cu grosimea de un atom. Foaia atomică de carbon este dispusă într-o rețea de tip fagure. Adesea, ele sunt comparate conceptual cu foi rulate de grafit monostrat sau grafenă.
DWCNT-urile constau din două nanotuburi cu un singur perete, unul încorporat în interiorul celuilalt.
MWNT-urile sunt o formă de CNT în care mai multe nanotuburi de carbon cu un singur perete sunt încorporate unul în altul. Deoarece diametrul lor variază între 3–30 nm și pot crește până la o lungime de câțiva cm, raportul lor de aspect poate varia între 10 și zece milioane. Comparativ cu nanofibrele de carbon, MWNT-urile au o structură diferită a peretelui, un diametru exterior mai mic și un interior gol. Tipuri de MWNT disponibile industrial și utilizate în mod obișnuit sunt, de exemplu, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 și FutureCarbon CNT-MW.
Sinteza CNT-urilor: CNT-urile pot fi produse prin metoda de sinteză pe bază de plasmă sau prin metoda evaporării prin descărcare în arc, metoda ablației cu laser, procesul de sinteză termică, depunerea chimică din fază de vapori (CVD) sau depunerea chimică din fază de vapori asistată de plasmă.
Funcționalizarea CNT-urilor: Pentru a îmbunătăți caracteristicile nanotuburilor de carbon și a le face astfel mai potrivite pentru o anumită aplicație, CNT-urile sunt adesea funcționalizate, de exemplu prin adăugarea de grupări de acid carboxilic (-COOH) sau hidroxil (-OH).

Aditivi de dispersare pentru CNT

Câțiva solvenți, cum ar fi superacizii, lichidele ionice și N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, sunt capabili să prepare dispersii de CNT cu concentrație relativ ridicată, în timp ce solvenții cei mai uzuali pentru nanotuburi, cum ar fi N-metil-2-pirolidona (NMP), dimetilformamida (DMF) și 1,2-dichrolobenzene, pot dispersa nanotuburile doar la concentrații foarte scăzute (de exemplu, de regulă <0,02 wt% de CNT-uri cu un singur perete). Cei mai uzuali agenți de dispersare sunt polivinilpirolidona (PVP), dodecilbenzensulfonatul de sodiu (SDBS), Triton 100 sau dodecilsulfonatul de sodiu (SDS).
Crezolii sunt un grup de substanțe chimice industriale care pot procesa CNT-uri la concentrații de până la zeci de procente masice, rezultând o tranziție continuă de la dispersii diluate, paste groase și geluri autoportante la o stare fără precedent, asemănătoare plastilinei, pe măsură ce încărcarea cu CNT crește. Aceste stări prezintă proprietăți reologice și viscoelastice asemănătoare polimerilor, care nu pot fi obținute cu alți solvenți uzuali, ceea ce sugerează că nanotuburile sunt într-adevăr dezagregate și fin dispersate în crezoli. Crezolii pot fi îndepărtați după procesare prin încălzire sau spălare, fără a modifica suprafața CNT-urilor. [Chiou et al. 2018]

Aplicații ale dispersiilor de CNT

Pentru a valorifica beneficiile CNT-urilor, acestea trebuie dispersate într-un lichid, cum ar fi polimerii. CNT-urile dispersate uniform sunt utilizate pentru fabricarea materialelor plastice conductoare, afișajelor cu cristale lichide, diodelor organice emițătoare de lumină, ecranelor tactile, afișajelor flexibile, celulelor solare, cernelurilor conductoare, materialelor de control al electricității statice, inclusiv filme, spume, fibre și țesături, acoperirilor și adezivilor polimerici, compozitelor polimerice de înaltă performanță cu rezistență mecanică și tenacitate excepționale, fibrelor compozite polimer/CNT, precum și a materialelor ușoare și antistatice.

Care sunt formele carbonului?
Carbonul există în mai multe forme alotropice, printre care:

Forme cristaline: diamant, grafit, grafenă, nanotuburi de carbon (CNT-uri), fulerene (de exemplu, C₆₀).
Forme amorfe: cărbune de lemn, funingine, negru de fum, carbon sticlos, carbon de tip diamant (DLC), carbon amorf monostrat (MAC).
Nanostructuri hibride: nanodiamante, cepe de carbon, aerogeluri de carbon și compozite precum hibrizii nanocarbon-metal.

Fiecare formă prezintă proprietăți fizico-chimice distincte, relevante pentru aplicații în știința materialelor, electronică și stocarea energiei.