Равномерно диспергированные УНТ с помощью ультразвука
Чтобы использовать исключительные функциональные возможности углеродных нанотрубок (УНТ), они должны быть однородно диспергированы.
Ультразвуковые диспергаторы являются наиболее распространенным инструментом для распределения УНТ в водные суспензии и суспензии на основе растворителей.
Технология ультразвукового диспергирования создает достаточно высокую энергию сдвига для достижения полного разделения УНТ без их повреждения.
Ультразвуковое диспергирование углеродных нанотрубок
Углеродные нанотрубки (УНТ) имеют очень высокое соотношение сторон и демонстрируют низкую плотность, а также огромную площадь поверхности (несколько сотен м2/г), что придает им уникальные свойства, такие как очень высокая прочность на разрыв, жесткость и ударная вязкость, а также очень высокая электро- и теплопроводность. Из-за сил Ван-дер-Ваальса, которые притягивают одиночные углеродные нанотрубки (УНТ) друг к другу, УНТ обычно располагаются в пучках или мотках. Эти межмолекулярные силы притяжения основаны на явлении укладки π-связей между соседними нанотрубками, известном как π-укладка. Чтобы в полной мере извлечь пользу из углеродных нанотрубок, эти агломераты должны быть распущены, а УНТ должны быть равномерно распределены в однородную дисперсию. Интенсивное ультразвуковое воздействие создает акустическую кавитацию в жидкостях. Создаваемое таким образом локальное напряжение сдвига разрушает агрегаты УНТ и равномерно диспергирует их в однородной суспензии. Технология ультразвукового диспергирования создает достаточно высокую энергию сдвига для достижения полного разделения УНТ без их повреждения. Даже для чувствительных одностенных углеродных нанотрубок успешно применяется ультразвуковая обработка для распутывания их по отдельности. Ультразвуковое воздействие просто обеспечивает достаточный уровень напряжения для разделения агрегатов одностенных углеродных нанотрубок, не вызывая большого разрушения отдельных нанотрубок (Huang, Terentjev 2012).
- Однодисперсные УНТ
- Равномерное распределение
- Высокая эффективность диспергирования
- Высокие нагрузки УНТ
- Отсутствие деградации УНТ
- Быстрая обработка
- Точное управление технологическим процессом
УИП2000HDT – Мощный ультразвуковой аппарат мощностью 2 кВт для дисперсий УНТ
Высокопроизводительные ультразвуковые системы для диспергирования УНТ
Hielscher Ultrasonics поставляет мощное и надежное ультразвуковое оборудование для эффективного диспергирования УНТ. Нужно ли вам подготовить небольшие образцы УНТ для анализа и R&Если вам необходимо производить большие промышленные партии сыпучих дисперсий, ассортимент продукции Hielscher предлагает идеальную ультразвуковую систему для ваших требований. От Ультразвуковые аппараты мощностью 50 Вт для лабораторий до Промышленные ультразвуковые установки мощностью 16 кВт Для коммерческого производства Hielscher Ultrasonics поможет вам.
Для получения высококачественных дисперсий углеродных нанотрубок необходимо хорошо контролировать параметры процесса. Амплитуда, температура, давление и время удержания являются наиболее важными параметрами для равномерного распределения УНТ. Ультразвуковые аппараты Hielscher не только позволяют точно контролировать каждый параметр, но и автоматически записываются на встроенную SD-карту цифровых ультразвуковых систем Hielscher. Протокол каждого процесса ультразвуковой обработки помогает обеспечить воспроизводимые результаты и стабильное качество. С помощью удаленного управления через браузер пользователь может управлять ультразвуковым устройством и контролировать его, не находясь на месте расположения ультразвуковой системы.
Поскольку одностенные углеродные нанотрубки (SWNT) и многостенные углеродные нанотрубки (MWNT), а также выбранная водная среда или среда растворителя требуют определенной интенсивности обработки, ультразвуковая амплитуда является ключевым фактором, когда речь идет о конечном продукте. Ультразвуковые технологии Hielscher’ Промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечивать как очень высокие, так и очень слабые амплитуды. Установите идеальную амплитуду в соответствии с вашими технологическими требованиями. Даже с амплитудой до 200 мкм можно легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях эксплуатации и в сложных условиях.
Наши клиенты довольны выдающейся прочностью и надежностью систем Hielscher Ultrasonic. Установка в тяжелых условиях эксплуатации, в сложных условиях и работа в режиме 24/7 обеспечивают эффективную и экономичную обработку. Ультразвуковая интенсификация процесса сокращает время обработки и позволяет добиться лучших результатов, т.е. более высокого качества, более высоких выходов, инновационных продуктов.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| 0от 0,5 до 1,5 мл | н.а. | VialTweeter |
| от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами!? Спросите нас!
Мощные ультразвуковые процессоры от лабораторных до пилотных и промышленных масштабов.
Литература? Литература
- 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.
Факты, которые стоит знать
Что такое углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки (УНТ) относятся к особому классу одномерных углеродных материалов, обладающих исключительными механическими, электрическими, тепловыми и оптическими свойствами. Они являются основным компонентом, используемым в разработке и производстве передовых наноматериалов, таких как нанокомпозиты, армированные полимеры и т. д., и поэтому используются в самых современных технологиях. УНТ обладают очень высокой прочностью на разрыв, превосходными свойствами теплопередачи, малыми запрещенными зонами и оптимальной химической и физической стабильностью, что делает нанотрубки перспективной добавкой для различных материалов.
В зависимости от своей структуры УНТ подразделяются на одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ), двустенные углеродные нанотрубки (ДДНТ) и многостенные углеродные нанотрубки (МНТ).
Одностенные углеродные нанотрубки представляют собой полые длинные цилиндрические трубки, изготовленные из углеродной стенки толщиной в один атом. Атомный лист углерода расположен в сотовой решетке. Часто их концептуально сравнивают с свернутыми в рулон листами однослойного графита или графена.
DWCNT состоит из двух одностенных нанотрубок, одна из которых вложена в другую.
MWNT представляют собой форму УНТ, в которой несколько одностенных углеродных нанотрубок вложены друг в друга. Поскольку их диаметр колеблется от 3 до 30 нм и поскольку они могут вырастать до нескольких см в длину, их соотношение сторон может варьироваться от 10 до десяти миллионов. По сравнению с углеродными нановолокнами, MWNT имеют другую структуру стенок, меньший внешний диаметр и полую внутреннюю часть. Широко используемыми промышленно доступными типами MWNT являются, например, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 и FutureCarbon CNT-MW.
Синтез УНТ: УНТ могут быть получены методом плазменного синтеза или методом дугового испарения, методом лазерной абляции, процессом термического синтеза, химическим осаждением из газовой фазы (CVD) или химическим осаждением из газовой фазы, усиленным плазмой.
Функционализация УНТЧтобы улучшить характеристики углеродных нанотрубок и тем самым сделать их более подходящими для конкретного применения, УНТ часто функционализируют, например, путем добавления карбоновых кислотных (-COOH) или гидроксильных (-OH) групп.
Диспергирующие добавки УНТ
Некоторые растворители, такие как суперкислоты, ионные жидкости и N-циклогексил-2-пирролиднон, способны получать дисперсии УНТ с относительно высокой концентрацией, в то время как наиболее распространенные растворители для нанотрубок, такие как N-метил-2-пирролидон (NMP), диметилформамид (DMF) и 1,2-дихролобензол, могут диспергировать нанотрубки только при очень низких концентрациях (например, обычно <00,02 мас.% одностенных УНТ). Наиболее распространенными диспергирующими агентами являются поливинилпирролидон (ПВП), додецилбензолсульфонат натрия (SDBS), тритон 100 или додецилсульфонат натрия (SDS).
Крезолы представляют собой группу промышленных химикатов, которые могут перерабатывать УНТ в концентрациях до десятков весовых процентов, что приводит к непрерывному переходу от разбавленных дисперсий, густых паст и отдельно стоящих гелей к беспрецедентному состоянию, похожему на пластилин, по мере увеличения нагрузки УНТ. Эти состояния проявляют полимероподобные реологические и вязкоупругие свойства, которые недостижимы с другими распространенными растворителями, что позволяет предположить, что нанотрубки действительно дезагрегированы и мелкодиспергированы в крезолах. Крезолы могут быть удалены после обработки путем нагревания или промывки, не изменяя поверхность УНТ. [Chiou et al. 2018]
Применение дисперсий УНТ
Равномерно диспергированные УНТ используются для производства проводящих пластиков, жидкокристаллических дисплеев, органических светоизлучающих диодов, сенсорных экранов, гибких дисплеев, солнечных батарей, проводящих чернил, материалов для статического контроля, включая пленки, пены, волокна и ткани, полимерных покрытий и клеев, высокоэффективных полимерных композитов с исключительной механической прочностью и ударной вязкостью, полимерные/УНТ-композитные волокна, а также легкие и антистатические материалы.
Каковы формы углерода?
Углерод существует в нескольких аллотропах, в том числе:
- Кристаллические формы: алмаз, графит, графен, углеродные нанотрубки (УНТ), фуллерены (например, С60).
- Аморфные формы: древесный уголь, сажа, технический углерод, стекловидный углерод, алмазоподобный углерод (DLC), монослойный аморфный углерод (ПДК).
- Гибридные наноструктуры: наноалмазы, углеродные луковицы, углеродные аэрогели и композиты, такие как гибриды наноуглерода и металла.
Каждая форма проявляет различные физико-химические свойства, необходимые для применения в материаловедении, электронике и накопителе энергии.