Ультразвуковое диспергирование углеродных нанотрубок (CNT)

Углеродные нанотрубки прочны и гибки, но обладают очень высокой когезией. Их трудно диспергировать в жидкостях, таких как вода, этанол, масло, полимер или эпоксидная смола. Ультразвук является эффективным методом получения отдельных – индивидуально диспергированных – углеродных нанотрубок.

Углеродные нанотрубки (CNT) используются в клеях, покрытиях и полимерах, а также в качестве электропроводящих наполнителей в пластмассах для рассеивания статических зарядов в электрооборудовании и в панелях автомобильных кузовов, пригодных для электростатической окраски. Использование нанотрубок позволяет повысить устойчивость полимеров к воздействию температур, агрессивных химических веществ, коррозионных сред, экстремальных давлений и истирания. Существуют две категории углеродных нанотрубок: одностенные нанотрубки (SWNT) и многостенные нанотрубки (MWNT).

Углеродные нанотрубки обычно доступны в виде сухого материала, например от таких компаний, как SES Research или CNT Co., Ltd. Для максимально полного использования потенциала нанотрубок необходим простой, надёжный и масштабируемый процесс деагломерации. Для жидкостей с вязкостью до 100 000cP ультразвук является очень эффективной технологией диспергирования нанотрубок в воде, масле или полимерах при низких или высоких концентрациях. Струйные потоки жидкости, возникающие в результате ультразвуковой кавитации, преодолевают силы сцепления между нанотрубками и разделяют их. Благодаря создаваемым ультразвуком сдвиговым силам и микротурбулентности ультразвук также может способствовать нанесению поверхностных покрытий и химическим реакциям нанотрубок с другими материалами.

Обычно грубую дисперсию нанотрубок сначала предварительно перемешивают стандартной мешалкой, а затем гомогенизируют в ультразвуковом реакторе с проточной ячейкой. В видео ниже показан лабораторный опыт (периодическая обработка ультразвуком с использованием UP400S) по диспергированию многостенных углеродных нанотрубок в воде при низкой концентрации. Из-за химической природы углерода диспергирование нанотрубок в воде довольно затруднено. Как показано в видео, можно легко продемонстрировать, что обработка ультразвуком способна эффективно диспергировать нанотрубки.

Ультразвуковое диспергирование углеродных нанотрубок: ультразвуковой аппарат Hielscher UP400S (400W) быстро и эффективно диспергирует и распутывает углеродные нанотрубки, разделяя их на отдельные нанотрубки.

Диспергирование отдельных SWNT большой длины

Основной проблемой при обработке SWNT и манипуляциях с ними является присущая этим трубкам нерастворимость в распространённых органических растворителях и воде. Функционализация боковых стенок или открытых концов нанотрубок для создания подходящей границы раздела между SWNT и растворителем в большинстве случаев приводит лишь к частичному расслоению жгутов SWNT.
В результате SWNT обычно диспергируются в виде пучков, а не полностью изолированных отдельных объектов. При использовании слишком жёстких условий диспергирования SWNT укорачиваются до длины от 80 до 200nm. Хотя это полезно для некоторых испытаний, такая длина слишком мала для большинства практических применений, например для использования SWNT в качестве полупроводников или армирующих элементов. Контролируемая мягкая ультразвуковая обработка (например, с помощью UP200Ht с сонотродом 40mm) является эффективным способом приготовления водных дисперсий длинных отдельных SWNT. Последовательные циклы мягкой обработки ультразвуком сводят укорочение к минимуму и позволяют максимально сохранить структурные и электронные свойства.

Очистка SWNT с помощью ультразвуковой обработки в присутствии полимера

Изучать химическую модификацию SWNT на молекулярном уровне трудно, поскольку трудно получить чистые SWNT. SWNT непосредственно после выращивания содержат множество примесей, таких как частицы металлов и аморфные формы углерода. Обработка SWNT ультразвуком в растворе поли(метилметакрилата) PMMA в монохлорбензоле (MCB) с последующей фильтрацией является эффективным способом очистки SWNT. Этот метод очистки с использованием полимера позволяет эффективно удалять примеси из SWNT непосредственно после выращивания. (Yudasaka et al.) Точный контроль амплитуды ультразвуковой обработки позволяет ограничить повреждение SWNT.

Hielscher: широкий ассортимент ультразвуковых устройств и принадлежностей для эффективного диспергирования нанотрубок.

• Компактные лабораторные устройства с ультразвуковой мощностью до 400 ватт для диспергирования в небольших объёмах до 2 литров
• UIP500hdT, UIP1000hdT и UIP1500hdT – ультразвуковые процессоры, способные обрабатывать большие объёмы.
• Ультразвуковые системы мощностью 2kW (UIP2000hdT) и 4kW (UIP4000hdT) могут использоваться для диспергирования углеродных нанотрубок в производственном масштабе. Устройства UIP10000 (10 киловатт) и UIP16000 (16 киловатт) могут использоваться в кластерах из нескольких отдельных установок для крупномасштабной обработки углеродных нанотрубок.»

Литература

• 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.