Ako jednotlivo rozptýliť jednostenné uhlíkové nanotrubice

Jednostenné uhlíkové nanotrubice (SWNT alebo SWCNT) majú jedinečné vlastnosti, ale na ich vyjadrenie musia byť jednotlivo rozptýlené. Aby sa naplno využili výnimočné vlastnosti jednostenných uhlíkových nanotrubíc, musia byť rúrky čo najúplnejšie rozmotané. SWNT ako iné nanočastice vykazujú veľmi vysoké príťažlivé sily, takže na spoľahlivú deaglomeráciu a disperziu je potrebná výkonná a účinná technika. Zatiaľ čo bežné techniky miešania neposkytujú intenzitu potrebnú na rozčesávanie SWNT bez ich poškodenia, je dokázané, že vysokovýkonné ultrazvuky rozčesávajú a rozptyľujú SWCNT. Ultrazvukom generované kavitačné šmykové sily sú dostatočne silné na to, aby prekonali spojovacie sily, zatiaľ čo intenzitu ultrazvuku je možné presne upraviť, aby sa zabránilo poškodeniu SWCNT.

Problém:

Jednostenné uhlíkové nanorúrky (SWCNT) sa líšia od viacstenných uhlíkových nanotrubíc (MWNT / MWCNT) svojimi elektrickými vlastnosťami. Pásmová medzera SWCNT sa môže pohybovať od nuly do 2 eV a ich elektrická vodivosť sa vyznačuje kovovým alebo polovodičovým správaním. Keďže jednostenné uhlíkové nanotrubice sú vysoko súdržné, jednou z hlavných prekážok pri spracovaní SWCNT je vlastná nerozpustnosť skúmaviek v organických rozpúšťadlách alebo vode. Na využitie plného potenciálu SWCNT je potrebný jednoduchý, spoľahlivý a škálovateľný proces deaglomerácie rúrok. Najmä funkcionalizácia bočných stien alebo otvorených koncov CNT na vytvorenie vhodného rozhrania medzi SWCNT a organickým rozpúšťadlom vedie iba k čiastočnej exfoliácii SWCNT. Preto sú SWCNT väčšinou rozptýlené ako zväzky, a nie ako jednotlivé deaglomerované laná. Ak sú podmienky počas rozptylu príliš drsné, SWCNT sa skrátia na dĺžky medzi 80 až 200 nm. Pre väčšinu praktických aplikácií, t. j. pre polovodičové alebo výstužné SWCNT, je táto dĺžka príliš malá.

Riešenie:

Ultrazvuk je veľmi účinná metóda dispergácie a deaglomerácie uhlíkových nanotrubíc, pretože ultrazvukové vlny ultrazvuku s vysokou intenzitou vytvárajú kavitáciu v kvapalinách. Zvukové vlny šíriace sa v kvapalnom médiu vedú k striedaniu vysokotlakových (kompresných) a nízkotlakových (zriedení) cyklov s rýchlosťou v závislosti od frekvencie. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou malé vákuové bubliny alebo dutiny v kvapaline. Keď bubliny dosiahnu objem, pri ktorom už nemôžu absorbovať energiu, prudko sa zrútia počas vysokotlakového cyklu. Tento jav sa nazýva kavitácia. Počas implózie sa lokálne dosahujú veľmi vysoké teploty (cca 5 000 K) a tlaky (cca 2 000 atm). Implózia kavitačnej bubliny má tiež za následok prúdy kvapaliny s rýchlosťou až 280 m/s. Tieto prúdy kvapaliny vznikajúce z ultrazvuková kavitácia, prekonajú spojovacie sily medzi uhlíkovými nanotrubicami, a tým sa nanotrubice deaglomerujú. Mierne, kontrolované ultrazvukové ošetrenie je vhodnou metódou na vytvorenie povrchovo aktívnych suspenzií dispergovaných SWCNT s vysokou dĺžkou. Pre riadenú výrobu SWCNT umožňujú ultrazvukové procesory Hielscher bežať v širokom rozsahu súborov ultrazvukových parametrov. Ultrazvuková amplitúda, tlak kvapaliny a zloženie kvapaliny sa môžu meniť podľa konkrétneho materiálu a procesu. To ponúka variabilné možnosti úprav, ako napr.

• amplitúdy sonotródy až 170 mikrónov
• Tlak kvapaliny do 10 barov
• prietoky kvapaliny až 15 l/min (v závislosti od procesu)
• teploty kvapaliny do 80 ° C (iné teploty na vyžiadanie)
• Viskozita materiálu až 100 000 cp

 

Okrem toho ultrazvuk ako metóda čistenia s podporou polyméru umožňuje efektívne odstraňovať nečistoty z pestovaných SWCNT. Je ťažké študovať chemickú modifikáciu SWCNT na molekulárnej úrovni, pretože je ťažké získať čisté SWNT. Pestované SWCNT obsahujú veľa nečistôt, ako sú kovové častice a amorfné uhlíky. Ultrazvuk SWCNT v roztoku monochlórbenzénu (MCB) poly(metylmetakrylátového) PMMA s následnou filtráciou je účinný spôsob čistenia SWCNT. Táto metóda čistenia s podporou polymérov umožňuje efektívne odstraňovať nečistoty z vypestovaných SWCNT. Presná kontrola amplitúdy ultrazvuku umožňuje vyhnúť sa alebo obmedziť poškodenie SWCNT.

Ultrazvukové zariadenia

Spoločnosť Hielscher ponúka vysoký výkon Ultrazvukové procesory pre sonikáciu každého zväzku. Ultrazvukové zariadenia od 50 wattov do 16 000 wattov, ktoré by sa dali umiestniť do zhlukov, umožňujú nájsť vhodný ultrazvuk pre každú aplikáciu, v laboratóriu aj v priemysle. Pre sofistikovanú disperziu nanotrubíc sa odporúča kontinuálna sonikácia. Pomocou prietokových článkov spoločnosti Hielscher je možné rozptýliť CNT do kvapalín so zvýšenou viskozitou, ako sú polyméry, taveniny s vysokou viskozitou a termoplasty.

Kliknite sem a prečítajte si viac o disperzii a modifikácii nanotrubíc pomocou vysokovýkonného ultrazvuku!