Равномерно диспергированные CNT благодаря обработке ультразвуком

Полезные сведения

Что такое углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (CNT) относятся к особому классу одномерных углеродных материалов, обладающих исключительными механическими, электрическими, тепловыми и оптическими свойствами. Они являются одним из основных компонентов, используемых при разработке и производстве передовых наноматериалов, таких как нанокомпозиты, армированные полимеры и т. д., и поэтому применяются в самых современных технологиях. CNT обладают очень высокой прочностью при растяжении, превосходными свойствами теплопередачи, малой шириной запрещённой зоны и оптимальной химической и физической стабильностью, что делает нанотрубки перспективной добавкой для самых разных материалов.
В зависимости от структуры CNTS подразделяют на одностенные углеродные нанотрубки (SWNT), двустенные углеродные нанотрубки (DWCNT) и многостенные углеродные нанотрубки (MWNT).
SWNT представляют собой полые длинные цилиндрические трубки с углеродной стенкой толщиной в один атом. Атомный лист углерода образует решётку в форме пчелиных сот. Часто их концептуально сравнивают со свёрнутыми листами однослойного графита или графена.
DWCNT состоят из двух одностенных нанотрубок, одна из которых вложена в другую.
MWNT – это форма CNT, в которой несколько одностенных углеродных нанотрубок вложены друг в друга. Поскольку их диаметр находится в диапазоне 3–30 nm, а длина может достигать нескольких cm, отношение длины к диаметру может варьироваться от 10 до десяти миллионов. По сравнению с углеродными нановолокнами MWNT имеют другую структуру стенок, меньший наружный диаметр и полую внутреннюю часть. К широко используемым промышленно доступным типам MWNT относятся, например, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 и FutureCarbon CNT-MW.
Синтез CNT: CNT можно получать методом плазменного синтеза или методом испарения в дуговом разряде, методом лазерной абляции, термическим синтезом, химическим осаждением из газовой фазы (CVD) или плазменно-стимулированным химическим осаждением из газовой фазы.
Функционализация CNT: Чтобы улучшить характеристики углеродных нанотрубок и тем самым сделать их более подходящими для конкретного применения, CNT часто функционализируют, например добавляя карбоксильные (-COOH) или гидроксильные (-OH) группы.

Добавки для диспергирования CNT

Некоторые растворители, такие как суперкислоты, ионные жидкости и N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, позволяют получать дисперсии CNT с относительно высокой концентрацией, тогда как наиболее распространённые растворители для нанотрубок, такие как N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), диметилформамид (DMF) и 1,2-dichrolobenzene, способны диспергировать нанотрубки только при очень низких концентрациях (например, обычно <0,02 wt% одностенных CNT). Наиболее распространёнными диспергирующими агентами являются поливинилпирролидон (PVP), додецилбензолсульфонат натрия (SDBS), Triton 100 или додецилсульфонат натрия (SDS).
Крезолы – это группа промышленных химических веществ, которые позволяют обрабатывать CNT при концентрациях до десятков массовых процентов, обеспечивая по мере увеличения содержания CNT непрерывный переход от разбавленных дисперсий через густые пасты и самонесущие гели к беспрецедентному состоянию, напоминающему массу для лепки. Эти состояния демонстрируют реологические и вязкоупругие свойства, подобные свойствам полимеров, которые недостижимы с другими распространёнными растворителями, что позволяет предположить, что нанотрубки действительно дезагрегированы и тонко диспергированы в крезолах. После обработки крезолы можно удалить нагреванием или промывкой без изменения поверхности CNT. [Chiou et al. 2018]

Применение дисперсий CNT

Чтобы использовать преимущества CNT, их необходимо диспергировать в жидкости, например в полимерах. Равномерно диспергированные CNT используются для производства электропроводящих пластмасс, жидкокристаллических дисплеев, органических светодиодов, сенсорных экранов, гибких дисплеев, солнечных элементов, электропроводящих чернил, материалов для контроля статического электричества, включая плёнки, пены, волокна и ткани, полимерных покрытий и клеёв, высокоэффективных полимерных композитов с исключительной механической прочностью и вязкостью разрушения, композитных волокон на основе полимеров и CNT, а также лёгких и антистатических материалов.

Какие существуют формы углерода?
Углерод существует в нескольких аллотропных формах, включая:

• Кристаллические формы: алмаз, графит, графен, углеродные нанотрубки (CNT), фуллерены (например, C₆₀).
• Аморфные формы: древесный уголь, сажа, технический углерод, стеклоуглерод, алмазоподобный углерод (DLC), однослойный аморфный углерод (MAC).
• Гибридные наноструктуры: наноалмазы, углеродные луковицы, углеродные аэрогели и композиты, такие как гибриды наноуглерода и металлов.

Каждая форма обладает особыми физико-химическими свойствами, значимыми для применения в материаловедении, электронике и накоплении энергии.