Как диспергировать одностенные углеродные нанотрубки по отдельности

Одностенные углеродные нанотрубки (SWNTs или SWCNTs) обладают уникальными характеристиками, но для их проявления нанотрубки необходимо диспергировать по отдельности. Чтобы в полной мере использовать исключительные характеристики одностенных углеродных нанотрубок, их необходимо распутать максимально полно. SWNTs, как и другие наночастицы, характеризуются очень высокими силами притяжения, поэтому для надежной деагломерации и диспергирования требуется мощный и эффективный метод. Обычные методы смешивания не обеспечивают интенсивности, необходимой для распутывания SWNTs без их повреждения, тогда как способность ультразвука высокой мощности распутывать и диспергировать SWCNTs доказана. Кавитационные силы сдвига, создаваемые ультразвуком, достаточно велики для преодоления сил сцепления, при этом интенсивность ультразвука можно точно регулировать, чтобы избежать повреждения SWCNTs.

Проблема:

Одностенные углеродные нанотрубки (SWCNTs) отличаются от многостенных углеродных нанотрубок (MWNTs/ MWCNTs) своими электрическими свойствами. Ширина запрещенной зоны SWCNTs может варьироваться от нуля до 2 eV, а их электропроводность имеет металлический или полупроводниковый характер. Поскольку одностенные углеродные нанотрубки характеризуются сильным сцеплением друг с другом, одним из основных препятствий при обработке SWCNTs является присущая им нерастворимость в органических растворителях или воде. Для полного использования потенциала SWCNTs необходим простой, надежный и масштабируемый процесс деагломерации нанотрубок. В частности, функционализация боковых стенок или открытых концов CNTs для создания подходящей межфазной границы между SWCNTs и органическим растворителем приводит лишь к частичному расслоению SWCNTs. Поэтому SWCNTs диспергируются преимущественно в виде пучков, а не отдельных деагломерированных жгутов. Если условия диспергирования слишком жесткие, SWCNTs укорачиваются до длины от 80 до 200nm. Для большинства практических применений, то есть для использования SWCNTs в качестве полупроводников или армирующих элементов, эта длина слишком мала.

Решение:

Обработка ультразвуком является очень эффективным методом диспергирования и деагломерации углеродных нанотрубок, поскольку ультразвуковые волны высокой интенсивности создают кавитацию в жидкостях. Звуковые волны, распространяющиеся в жидкой среде, вызывают чередование циклов высокого давления (сжатия) и низкого давления (разрежения) со скоростью, зависящей от частоты. Во время цикла низкого давления ультразвуковые волны высокой интенсивности создают в жидкости небольшие вакуумные пузырьки или полости. Когда пузырьки достигают объема, при котором они больше не могут поглощать энергию, они резко схлопываются во время цикла высокого давления. Это явление называется кавитацией. При схлопывании локально достигаются очень высокие температуры (около 5 000K) и давления (около 2 000atm). Схлопывание кавитационного пузырька также создает струи жидкости со скоростью до 280m/s. Эти струйные потоки жидкости, возникающие в результате ультразвуковой кавитации, преодолевают силы сцепления между углеродными нанотрубками, благодаря чему происходит деагломерация нанотрубок. Мягкая, контролируемая обработка ультразвуком является подходящим методом получения стабилизированных поверхностно-активными веществами суспензий диспергированных SWCNTs большой длины. Для контролируемого получения SWCNTs ультразвуковые процессоры Hielscher позволяют работать в широком диапазоне сочетаний ультразвуковых параметров. Амплитуду ультразвука, давление жидкости и состав жидкости можно изменять в соответствии с конкретным материалом и процессом. Это предоставляет разнообразные возможности регулировки, такие как

• амплитуды сонотрода до 170 микрон
• давления жидкости до 10 бар
• расходы жидкости до 15L/min (в зависимости от процесса)
• температуры жидкости до 80 degC (другие температуры по запросу)
• вязкость материала до 100 000cp

 

Кроме того, обработка ультразвуком как метод очистки с использованием полимера позволяет эффективно удалять примеси из SWCNTs непосредственно после выращивания. Химическую модификацию SWCNTs трудно изучать на молекулярном уровне, поскольку получить чистые SWNTs сложно. SWCNTs непосредственно после выращивания содержат много примесей, таких как металлические частицы и аморфные формы углерода. Обработка SWCNTs ультразвуком в растворе полиметилметакрилата (PMMA) в монохлорбензоле (MCB) с последующей фильтрацией является эффективным способом очистки SWCNTs. Этот метод очистки с использованием полимера позволяет эффективно удалять примеси из SWCNTs непосредственно после выращивания. Точный контроль амплитуды при обработке ультразвуком позволяет избежать повреждения SWCNTs или ограничить его.

Ультразвуковое оборудование

Hielscher предлагает высокопроизводительные ультразвуковые процессоры для обработки ультразвуком любых объемов. Ультразвуковые устройства мощностью от 50 ватт до 16 000 ватт, которые можно объединять в кластеры, позволяют подобрать подходящее ультразвуковое оборудование для каждого применения как в лаборатории, так и в промышленности. Для высококачественного диспергирования нанотрубок рекомендуется непрерывная обработка ультразвуком. Использование проточных ячеек Hielscher позволяет диспергировать CNTs в жидкостях повышенной вязкости, таких как полимеры, высоковязкие расплавы и термопласты.

Нажмите здесь, чтобы узнать больше о диспергировании и модификации нанотрубок с помощью ультразвука высокой мощности!