Rovnomerne dispergované CNT pomocou ultrazvuku
Na využitie výnimočných funkčných vlastností uhlíkových nanorúrok (CNT) je potrebné ich homogénne dispergovať.
Ultrazvukové dispergátory sú najbežnejším nástrojom na rozptýlenie CNT vo vodných suspenziách a suspenziách na báze rozpúšťadiel.
Technológia ultrazvukového dispergovania vytvára dostatočne vysokú šmykovú energiu na dosiahnutie úplného oddelenia CNT bez ich poškodenia.
Ultrazvukové dispergovanie uhlíkových nanorúrok
Uhlíkové nanorúrky (CNT) majú veľmi vysoký pomer dĺžky k priemeru, nízku hustotu a obrovský merný povrch (niekoľko stoviek m2/g), čo im dodáva jedinečné vlastnosti, ako sú veľmi vysoká pevnosť v ťahu, tuhosť a húževnatosť a veľmi vysoká elektrická a tepelná vodivosť. V dôsledku van der Waalsových síl, ktoré navzájom priťahujú jednotlivé uhlíkové nanorúrky (CNT), sa CNT zvyčajne usporadúvajú do zväzkov alebo klbiek. Tieto medzimolekulové príťažlivé sily sú založené na jave vrstvenia π-väzieb medzi susednými nanorúrkami, známom ako π-stacking. Na plné využitie výhod uhlíkových nanorúrok je potrebné tieto aglomeráty rozpliesť a CNT rovnomerne rozptýliť v homogénnej disperzii. Intenzívne pôsobenie ultrazvuku vytvára v kvapalinách akustickú kavitáciu. Takto vzniknuté lokálne šmykové napätie rozrušuje agregáty CNT a rovnomerne ich disperguje v homogénnej suspenzii. Technológia ultrazvukového dispergovania vytvára dostatočne vysokú šmykovú energiu na dosiahnutie úplného oddelenia CNT bez ich poškodenia. Sonikácia sa úspešne používa na rozpletenie až na jednotlivé nanorúrky aj pri citlivých SWNT. Pôsobenie ultrazvuku poskytuje práve dostatočnú úroveň napätia na oddelenie agregátov SWNT bez toho, aby spôsobovalo výrazné lámanie jednotlivých nanorúrok (Huang, Terentjev 2012).
- CNT dispergované ako jednotlivé nanorúrky
- Homogénne rozptýlenie
- Vysoká účinnosť dispergovania
- Vysoký obsah CNT
- Žiadna degradácia CNT
- Rýchle spracovanie
- Presné riadenie procesu
UIP2000hdT – výkonný ultrazvukový prístroj s výkonom 2kW na prípravu disperzií CNT
Vysokovýkonné ultrazvukové systémy na prípravu disperzií CNT
Hielscher Ultrasonics dodáva výkonné a spoľahlivé ultrazvukové zariadenia na účinné dispergovanie CNT. Či už potrebujete pripraviť malé vzorky CNT na analýzu a výskum a vývoj, alebo vyrábať veľké priemyselné šarže disperzií vo veľkých objemoch, sortiment spoločnosti Hielscher ponúka ideálny ultrazvukový systém pre vaše požiadavky. Od ultrazvukových prístrojov s výkonom 50W pre laboratóriá až po priemyselné ultrazvukové jednotky s výkonom 16kW na komerčnú výrobu vám Hielscher Ultrasonics poskytne potrebné riešenie.
Na výrobu vysokokvalitných disperzií uhlíkových nanorúrok musia byť procesné parametre dobre riadené. Amplitúda, teplota, tlak a čas zdržania sú najdôležitejšími parametrami pre rovnomerné rozptýlenie CNT. Ultrazvukové prístroje spoločnosti Hielscher nielen umožňujú presné riadenie každého parametra, ale všetky procesné parametre sa aj automaticky zaznamenávajú na integrovanú SD kartu digitálnych ultrazvukových systémov spoločnosti Hielscher. Protokol každého sonikačného procesu pomáha zabezpečiť reprodukovateľné výsledky a stálu kvalitu. Prostredníctvom diaľkového ovládania cez prehliadač môže používateľ obsluhovať a monitorovať ultrazvukové zariadenie bez toho, aby sa nachádzal na mieste inštalácie ultrazvukového systému.
Keďže jednostenné uhlíkové nanorúrky (SWNT) a viacstenné uhlíkové nanorúrky (MWNT), ako aj zvolené vodné médium alebo rozpúšťadlo vyžadujú špecifické intenzity spracovania, amplitúda ultrazvuku je kľúčovým faktorom pre konečný produkt. Priemyselné ultrazvukové procesory spoločnosti Hielscher Ultrasonics dokážu poskytovať veľmi vysoké aj veľmi nízke amplitúdy. Stanovte ideálnu amplitúdu pre požiadavky vášho procesu. Aj amplitúdy až do 200µm možno jednoducho nepretržite udržiavať v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru. Robustnosť ultrazvukových zariadení spoločnosti Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri veľkom zaťažení a v náročných prostrediach.
Naši zákazníci sú spokojní s vynikajúcou robustnosťou a spoľahlivosťou ultrazvukových systémov spoločnosti Hielscher. Inštalácia v oblastiach použitia s veľkým zaťažením, v náročných prostrediach a prevádzka 24/7 zabezpečujú účinné a hospodárne spracovanie. Intenzifikácia procesov ultrazvukom skracuje čas spracovania a prináša lepšie výsledky, t. j. vyššiu kvalitu, vyššie výťažky a inovatívne produkty.
Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad približnej spracovateľskej kapacity našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem šarže | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 0,5 až 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zostava zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Vysokovýkonné ultrazvukové procesory od laboratórnej cez poloprevádzkovú až po priemyselnú mierku.
Literatúra / Referencie
- 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.
Užitočné informácie
Čo sú uhlíkové nanorúrky
Uhlíkové nanorúrky (CNT) patria do osobitnej triedy jednorozmerných uhlíkových materiálov, ktoré vykazujú výnimočné mechanické, elektrické, tepelné a optické vlastnosti. Sú významnou zložkou používanou pri vývoji a výrobe pokročilých nanomateriálov, ako sú nanokompozity, vystužené polyméry atď., a preto sa používajú v najmodernejších technológiách. CNT vykazujú veľmi vysokú pevnosť v ťahu, vynikajúce vlastnosti prenosu tepla, úzke zakázané pásma a optimálnu chemickú a fyzikálnu stabilitu, vďaka čomu sú nanorúrky sľubnou prísadou do rozmanitých materiálov.
Podľa štruktúry sa CNT delia na jednostenné uhlíkové nanorúrky (SWNT), dvojstenné uhlíkové nanorúrky (DWCNT) a viacstenné uhlíkové nanorúrky (MWNT).
SWNT sú duté, dlhé valcovité rúrky tvorené uhlíkovou stenou s hrúbkou jedného atómu. Atómová vrstva uhlíka je usporiadaná do mriežky v tvare včelieho plástu. Často sa v predstavách prirovnávajú k zvinutým plátom jednovrstvového grafitu alebo grafénu.
DWCNT pozostávajú z dvoch jednostenných nanorúrok, pričom jedna je vložená do druhej.
MWNT sú formou CNT, pri ktorej je viacero jednostenných uhlíkových nanorúrok vložených do seba. Keďže ich priemer je v rozsahu 3–30 nm a môžu dorásť do dĺžky niekoľkých cm, ich pomer dĺžky k priemeru sa môže pohybovať od 10 do desať miliónov. V porovnaní s uhlíkovými nanovláknami majú MWNT odlišnú štruktúru steny, menší vonkajší priemer a duté vnútro. Bežne používanými priemyselne dostupnými typmi MWNT sú napr. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 a FutureCarbon CNT-MW.
Syntéza CNT: CNT možno vyrábať metódou plazmovej syntézy alebo metódou odparovania elektrickým oblúkom, metódou laserovej ablácie, procesom tepelnej syntézy, chemickou depozíciou z plynnej fázy (CVD) alebo plazmou podporovanou chemickou depozíciou z plynnej fázy.
Funkcionalizácia CNT: Na zlepšenie vlastností uhlíkových nanorúrok, a tým aj ich vhodnosti na konkrétne použitie, sa CNT často funkcionalizujú, napr. pridaním karboxylových (-COOH) alebo hydroxylových (-OH) skupín.
Prísady na dispergovanie CNT
Niekoľko rozpúšťadiel, ako sú superkyseliny, iónové kvapaliny a N-cyklohexyl-2-pyrolidón, umožňuje pripraviť disperzie CNT s relatívne vysokou koncentráciou, zatiaľ čo najbežnejšie rozpúšťadlá pre nanorúrky, ako sú N-metyl-2-pyrolidón (NMP), dimetylformamid (DMF) a 1,2-dichlórbenzén, dokážu dispergovať nanorúrky iba pri veľmi nízkych koncentráciách (napr. typicky <0,02 hmotn. % jednostenných CNT). Najbežnejšími dispergačnými činidlami sú polyvinylpyrolidón (PVP), dodecylbenzénsulfonát sodný (SDBS), Triton 100 alebo dodecylsulfonát sodný (SDS).
Krezoly sú skupinou priemyselných chemikálií, ktoré umožňujú spracovať CNT v koncentráciách až do desiatok hmotnostných percent, pričom so zvyšujúcim sa obsahom CNT dochádza k plynulému prechodu od zriedených disperzií cez husté pasty a samonosné gély až po dosiaľ nevídaný stav podobný plastelíne. Tieto stavy vykazujú reologické a viskoelastické vlastnosti podobné polymérom, ktoré sa nedajú dosiahnuť pomocou iných bežných rozpúšťadiel, čo naznačuje, že nanorúrky sú v krezoloch skutočne rozdelené z agregátov a jemne dispergované. Krezoly možno po spracovaní odstrániť zahrievaním alebo premývaním bez zmeny povrchu CNT. [Chiou et al. 2018]
Použitie disperzií CNT
Na využitie výhod CNT je potrebné ich dispergovať v kvapaline, napríklad v polyméroch. Rovnomerne dispergované CNT sa používajú na výrobu vodivých plastov, displejov z tekutých kryštálov, organických svetlo emitujúcich diód, dotykových obrazoviek, ohybných displejov, solárnych článkov, vodivých atramentov, materiálov na reguláciu statickej elektriny vrátane fólií, pien, vlákien a textílií, polymérnych povlakov a lepidiel, vysokovýkonných polymérnych kompozitov s výnimočnou mechanickou pevnosťou a húževnatosťou, kompozitných vlákien polymér/CNT, ako aj ľahkých a antistatických materiálov.
Aké sú formy uhlíka?
Uhlík existuje vo viacerých alotropických formách vrátane:
- Kryštalické formy: diamant, grafit, grafén, uhlíkové nanorúrky (CNT), fullerény (napr., C₆₀).
- Amorfné formy: drevné uhlie, sadze, technické sadze, sklovitý uhlík, uhlík podobný diamantu (DLC), jednovrstvový amorfný uhlík (MAC).
- Hybridné nanoštruktúry: nanodiamanty, uhlíkové cibuľky, uhlíkové aerogély a kompozity, ako sú hybridy nanouhlíka a kovov.
Každá forma vykazuje odlišné fyzikálno-chemické vlastnosti relevantné pre použitie v materiálovej vede, elektronike a pri skladovaní energie.