Ultrazvukové dispergovanie uhlíkových nanorúrok (CNT)
Uhlíkové nanorúrky sú pevné a pružné, ale majú veľmi silnú vzájomnú súdržnosť. Ťažko sa dispergujú v kvapalinách, ako sú voda, etanol, olej, polymér alebo epoxidová živica. Ultrazvuk je účinnou metódou na získanie samostatných – jednotlivo dispergovaných – uhlíkových nanorúrok.
Uhlíkové nanorúrky (CNT) sa používajú v lepidlách, náteroch a polyméroch a ako elektricky vodivé plnivá v plastoch na odvádzanie statického náboja v elektrických zariadeniach a v elektrostaticky lakovateľných paneloch automobilových karosérií. Použitím nanorúrok možno zvýšiť odolnosť polymérov voči teplotám, agresívnym chemikáliám, korozívnym prostrediam, extrémnym tlakom a oderu. Existujú dve kategórie uhlíkových nanorúrok: jednostenné nanorúrky (SWNT) a viacstenné nanorúrky (MWNT).
Priemyselný ultrazvukový homogenizátor UIP1500hdT na dispergovanie uhlíkových nanorúrok (CNT) a iných nanomateriálov.
Uhlíkové nanorúrky sú všeobecne dostupné ako suchý materiál, napr. od spoločností, ako sú SES Research alebo CNT Co., Ltd. Na maximálne využitie potenciálu nanorúrok je potrebný jednoduchý, spoľahlivý a škálovateľný proces deaglomerácie. Pre kvapaliny s viskozitou až 100 000cP je ultrazvuk veľmi účinnou technológiou na dispergovanie nanorúrok vo vode, oleji alebo polyméroch pri nízkych aj vysokých koncentráciách. Prúdy kvapaliny vznikajúce v dôsledku ultrazvukovej kavitácie prekonávajú väzbové sily medzi nanorúrkami a oddeľujú ich. Vďaka ultrazvukom vytváraným šmykovým silám a mikroturbulenciám môže ultrazvuk napomáhať aj pri povrchovom povlakovaní a chemických reakciách nanorúrok s inými materiálmi.
Hrubá disperzia nanorúrok sa zvyčajne najprv predmieša bežným miešadlom a potom sa homogenizuje v ultrazvukovom reaktore s prietokovou celou. Nasledujúce video ukazuje laboratórnu skúšku (vsádzkovú sonikáciu pomocou UP400S), pri ktorej sa dispergujú viacstenné uhlíkové nanorúrky vo vode pri nízkej koncentrácii. Vzhľadom na chemickú povahu uhlíka je dispergovanie nanorúrok vo vode pomerne náročné. Ako ukazuje video, možno ľahko preukázať, že ultrazvukové ošetrenie dokáže nanorúrky účinne dispergovať.
Porovnanie rôznych nanoplnív dispergovaných v tvrdidle pomocou ultrazvukovej sondy): (a) 0,5 wt% uhlíkových nanovlákien (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxid; (c) 0,5 wt% uhlíkových nanorúrok (CNT); (d) 0,5 wt% čiastočne dispergovaných CNT.
Štúdia a obrázok: ©Zanghellini et al., 2021
Dispergovanie jednotlivých SWNT s veľkou dĺžkou
Závažným problémom pri spracovaní SWNT a manipulácii s nimi je ich prirodzená nerozpustnosť v bežných organických rozpúšťadlách a vo vode. Funkcionalizácia bočnej steny alebo otvorených koncov nanorúrok s cieľom vytvoriť vhodné rozhranie medzi SWNT a rozpúšťadlom väčšinou vedie iba k čiastočnej exfoliácii zväzkov SWNT.
V dôsledku toho sú SWNT zvyčajne dispergované vo forme zväzkov, nie ako úplne izolované jednotlivé objekty. Ak sa pri dispergovaní použijú príliš drsné podmienky, SWNT sa skrátia na dĺžky medzi 80 a 200nm. Hoci je to užitočné pri určitých skúškach, táto dĺžka je príliš malá pre väčšinu praktických aplikácií, napríklad pre polovodičové alebo vystužujúce SWNT. Riadené, šetrné ultrazvukové ošetrenie (napr. pomocou UP200Ht so sonotródou s priemerom 40mm) je účinným postupom na prípravu vodných disperzií dlhých jednotlivých SWNT. Sekvencie šetrného ultrazvukového ošetrenia minimalizujú skracovanie a umožňujú maximálne zachovanie štruktúrnych a elektronických vlastností.
Čistenie SWNT ultrazvukovým ošetrením za pomoci polyméru
Štúdium chemickej modifikácie SWNT na molekulárnej úrovni je náročné, pretože je ťažké získať čisté SWNT. SWNT v stave po raste obsahujú mnoho nečistôt, napríklad kovové častice a amorfné formy uhlíka. Ultrazvukové ošetrenie SWNT v roztoku poly(metylmetakrylátu) PMMA v monochlórbenzéne (MCB) s následnou filtráciou je účinným spôsobom čistenia SWNT. Táto metóda čistenia za pomoci polyméru umožňuje účinne odstrániť nečistoty zo SWNT v stave po raste. (Yudasaka et al.) Presné riadenie amplitúdy ultrazvukového ošetrenia umožňuje obmedziť poškodenie SWNT.
Široká ponuka ultrazvukových zariadení a príslušenstva spoločnosti Hielscher na účinné dispergovanie nanorúrok.
- Kompaktné laboratórne zariadenia s ultrazvukovým výkonom až 400 wattov na dispergovanie v menších objemoch až do 2 litrov
- UIP500hdT, UIP1000hdT a UIP1500hdT sú ultrazvukové procesory, ktoré dokážu spracovať väčšie objemy.
- Ultrazvukové systémy s výkonom 2kW (UIP2000hdT) a 4kW (UIP4000hdT) možno použiť na dispergovanie uhlíkových nanorúrok vo výrobnom meradle. Zariadenia UIP10000 (10 kilowattov) a UIP16000 (16 kilowattov) možno použiť v zostavách niekoľkých samostatných jednotiek na veľkokapacitné spracovanie uhlíkových nanorúrok.“
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Literatúra
- 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.
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórnej až po priemyselnú veľkosť.