Ultrazvuková dispergácia uhlíkových nanotrubíc (CNT)
Uhlíkové nanorúrky sú pevné a pružné, ale veľmi súdržné. Ťažko sa rozptyľujú do kvapalín, ako je voda, etanol, olej, polymér alebo epoxidová živica. Ultrazvuk je účinná metóda na získanie diskrétnych – jednofarebné – uhlíkové nanorúrky.
Uhlíkové nanorúrky (CNT) sa používajú v lepidlách, náteroch a polyméroch a ako elektricky vodivé plnivá v plastoch na rozptýlenie statického náboja v elektrických zariadeniach a v elektrostaticky natierateľných paneloch karosérií automobilov. Použitím nanotrubíc môžu byť polyméry odolnejšie voči teplotám, agresívnym chemikáliám, korozívnemu prostrediu, extrémnym tlakom a oderu. Existujú dve kategórie uhlíkových nanotrubíc: jednostenné nanotrubice (SWNT) a viacstenné nanotrubice (MWNT).
Priemyselný ultrazvukový homogenizátor UIP1500hdT na dispergáciu uhlíkových nanotrubíc (CNT) a iných nanomateriálov.
Uhlíkové nanorúrky sú vo všeobecnosti dostupné ako suchý materiál, napr. od spoločností, ako sú Výskum SES alebo CNT Co., Ltd. Je potrebný jednoduchý, spoľahlivý a škálovateľný proces deaglomerácie, aby sa nanotrubice využili na ich maximálny potenciál. Pre kvapaliny do 100 000 cP je ultrazvuk veľmi účinnou technológiou na dispergáciu nanotrubíc vo vode, oleji alebo polyméroch v nízkych alebo vysokých koncentráciách. Prúdy kvapaliny vznikajúce v dôsledku ultrazvuková kavitácia, prekonať spojovacie sily medzi nanotrubicami a oddeliť trubice. Vďaka ultrazvukom generovaným šmykovým silám a mikroturbulenciám môže ultrazvuk pomôcť pri povrchovom povlaku a chemickej reakcii nanotrubíc s inými materiálmi.
Vo všeobecnosti sa hrubá nanotrubicová disperzia najskôr vopred zmieša štandardným miešadlom a potom sa homogenizuje v reaktore ultrazvukovej prietokovej bunky. Video nižšie ukazuje laboratórnu skúšku (dávková sonikácia pomocou UP400S) dispergovanie viacstenných uhlíkových nanotrubíc vo vode pri nízkej koncentrácii. Vzhľadom na chemickú povahu uhlíka je dispergované správanie nanotrubíc vo vode dosť ťažké. Ako je znázornené na videu, dá sa ľahko preukázať, že ultrazvuk je schopný efektívne rozptýliť nanotrubice.
Porovnanie rôznych nanoplnív rozptýlených v tvrdidle pomocou ultrazvuku typu sondy): a) 0,5 hm. % uhlíkových nanovláken (CNF); b) 0,5 hmotnostného % CNToxidu; c) 0,5 hm. % uhlíkovej nanotrubice (CNT); d) 0,5 hm. % CNT polodispergované.
Štúdia a obrázok: ©Zanghellini et al., 2021
Rozptyl jednotlivých SWNT s vysokou dĺžkou
Hlavným problémom pri spracovaní a manipulácii SWNT je inherentná nerozpustnosť skúmaviek v bežných organických rozpúšťadlách a vode. Funkcionalizácia bočnej steny nanotrubice alebo otvorených koncov na vytvorenie vhodného rozhrania medzi SWNT a rozpúšťadlom väčšinou vedie iba k čiastočnej exfoliácii lán SWNT.
Výsledkom je, že SWNT sú zvyčajne rozptýlené ako zväzky, a nie ako úplne izolované jednotlivé objekty. Ak sa počas rozptylu použijú príliš drsné podmienky, SWNT sa skrátia na dĺžky medzi 80 a 200 nm. Hoci je to užitočné pri niektorých testoch, táto dĺžka je príliš malá pre väčšinu praktických aplikácií, ako sú polovodičové alebo výstužné SWNT. Kontrolované, mierne ultrazvukové ošetrenie (napr. UP200Ht so 40 mm sonotródou) je účinný postup na prípravu vodných disperzií dlhých jednotlivých SWNT. Sekvencie miernej ultrazvukovej signalizácie minimalizujú skrátenie a umožňujú maximálne zachovanie štrukturálnych a elektronických vlastností.
Čistenie SWNT pomocou ultrazvuku s pomocou polyméru
Je ťažké študovať chemickú modifikáciu SWNT na molekulárnej úrovni, pretože je ťažké získať čisté SWNT. Pestované SWNT obsahujú veľa nečistôt, ako sú kovové častice a amorfné uhlíky. Ultrazvuk SWNT v roztoku monochlórbenzénu (MCB) poly(metylmetakrylátového) PMMA s následnou filtráciou je účinný spôsob čistenia SWNT. Táto metóda čistenia s podporou polymérov umožňuje efektívne odstraňovať nečistoty z vypestovaných SWNT. (Yudasaka a kol.) Presná kontrola amplitúdy ultrazvuku umožňuje obmedziť poškodenie SWNT.
Hielscher's široká škála ultrazvukových prístrojov a príslušenstvo na efektívne rozptyľovanie nanotrubíc.
- Kompaktné laboratórne prístroje až do Ultrazvukový výkon 400 W na rozptyl do menších objemov do 2 litrov
- UIP500hdT, UIP1000hdT a UIP1500hdT sú ultrazvukové procesory, ktoré dokážu spracovať väčšie objemy.
- Ultrazvukové systémy 2kW (UIP2000hdT) a 4 kW (UIP4000hdT) Možno použiť na rozptýlenie uhlíkových nanorúrok vo výrobnom meradle. Tá UIP10000 (10 kilowattov) a UIP16000 (16 kilowattov) Môže byť použitý v zoskupeniach niekoľkých samostatných jednotiek na rozsiahle 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.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.