Rovnomerne rozptýlené CNT ultrazvukom
Aby sa využili výnimočné funkcie uhlíkových nanotrubíc (CNT), musia byť homogénne rozptýlené.
Ultrazvukové dispergátory sú najbežnejším nástrojom na distribúciu CNT do vodných suspenzií a suspenzií na báze rozpúšťadiel.
Technológia ultrazvukového dispergovania vytvára dostatočne vysokú šmykovú energiu na dosiahnutie úplného oddelenia CNT bez ich poškodenia.
Ultrazvuková dispergácia uhlíkových nanotrubíc
Uhlíkové nanotrubice (CNT) majú veľmi vysoký pomer strán a vykazujú nízku hustotu, ako aj obrovský povrch (niekoľko stoviek m2/g), čo im dáva jedinečné vlastnosti, ako je 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 nanotrubice (CNT), sa CNT normálne usporiadajú do zväzkov alebo pradienok. Tieto medzimolekulové príťažlivé sily sú založené na fenoméne stohovania π väzby medzi susednými nanotrubicami známym ako π-stohovanie. Aby sa z uhlíkových nanotrubíc vyťažil plný úžitok, musia sa tieto aglomeráty rozmotať a CNT musia byť rovnomerne rozložené v homogénnej disperzii. Intenzívna ultrazvuková signalizácia vytvára akustickú kavitáciu v kvapalinách. Takto vytvorené lokálne šmykové napätie rozbíja CNT agregáty a rovnomerne ich rozptyľuje v homogénnej suspenzii. Technológia ultrazvukového dispergovania vytvára dostatočne vysokú šmykovú energiu na dosiahnutie úplného oddelenia CNT bez ich poškodenia. Dokonca aj pre citlivé SWNT sa úspešne aplikuje sonikácia na ich individuálne rozmotanie. Ultrazvuk poskytuje dostatočnú úroveň napätia na oddelenie agregátov SWNT bez toho, aby spôsobil veľké zlomenie jednotlivých nanotrubíc (Huang, Terentjev 2012).
- Jednodispergované CNT
- Homogénne rozdelenie
- Vysoká účinnosť rozptylu
- Vysoké zaťaženie CNT
- Žiadna degradácia CNT
- Rýchle spracovanie
- presné riadenie procesu
UIP2000hdT – 2kW výkonný ultrazvuk pre CNT disperzie
Vysokovýkonné ultrazvukové systémy pre CNT disperzie
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics dodáva výkonné a spoľahlivé ultrazvukové zariadenia na efektívnu disperziu CNT. Či potrebujete pripraviť malé vzorky CNT na analýzu a R&D alebo musíte vyrábať veľké priemyselné dávky sypkých disperzií, sortiment spoločnosti Hielscher ponúka ideálny ultrazvukový systém pre vaše požiadavky. Z 50W ultrazvukové prístroje pre laboratórium až 16kW priemyselné ultrazvukové jednotky pre komerčnú výrobu vám Hielscher Ultrasonics pomôže.
Na výrobu vysokokvalitných disperzií uhlíkových nanotrubíc musia byť parametre procesu dobre kontrolované. Amplitúda, teplota, tlak a retenčný čas sú najdôležitejšie parametre pre rovnomerné rozloženie CNT. Ultrazvukové prístroje Hielscher umožňujú nielen presné ovládanie každého parametra, ale všetky procesné parametre sa automaticky zaznamenávajú na integrovanú SD kartu digitálnych ultrazvukových systémov Hielscher. Protokol každého procesu sonikácie pomáha zabezpečiť reprodukovateľné výsledky a konzistentnú kvalitu. Pomocou diaľkového ovládania prehliadača môže používateľ ovládať a monitorovať ultrazvukové zariadenie bez toho, aby bol na mieste ultrazvukového systému.
Keďže jednostenné uhlíkové nanotrubice (SWNT) a viacstenné uhlíkové nanotrubice (MWNT), ako aj vybrané vodné alebo rozpúšťadlové médium vyžadujú špecifickú intenzitu spracovania, ultrazvuková amplitúda je kľúčovým faktorom, pokiaľ ide o konečný produkt. Hielscher Ultrasonics’ Priemyselné ultrazvukové procesory môžu poskytovať veľmi vysoké, ako aj veľmi mierne amplitúdy. Stanovte ideálnu amplitúdu pre vaše procesné požiadavky. Dokonca aj amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Robustnosť ultrazvukového zariadenia Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach.
Naši zákazníci sú spokojní s vynikajúcou robustnosťou a spoľahlivosťou systémov Hielscher Ultrasonic. Inštalácia v oblastiach náročných aplikácií, náročných prostredí a prevádzka 24 hodín denne, 7 dní v týždni zaisťuje efektívne a ekonomické spracovanie. Ultrazvuková intenzifikácia procesu skracuje čas spracovania a dosahuje lepšie výsledky, t.j. vyššiu kvalitu, vyššie výnosy, inovatívne produkty.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 05 až 1,5 ml | N.A. | VialTweeter |
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Vysokovýkonné ultrazvukové procesory od laboratórneho až po pilotné a priemyselné meradlo.
Literatúra / Referencie
- 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.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Uhlíkové nanotrubice
Uhlíkové nanotrubice (CNT) sú súčasťou špeciálnej triedy jednorozmerných uhlíkových materiálov, ktoré vykazujú výnimočné mechanické, elektrické, tepelné a optické vlastnosti. Sú hlavnou 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 tepelného prenosu, medzery v nízkych pásmach a optimálnu chemickú a fyzikálnu stabilitu, vďaka čomu sú nanotrubice sľubnou prísadou do rôznych materiálov.
V závislosti od ich štruktúry sa CNTS rozlišujú na jednostenné uhlíkové nanotrubice (SWNT), dvojstenné uhlíkové nanotrubice (DWCNT) a viacstenné uhlíkové nanotrubice (MWNT).
SWNT sú duté, dlhé valcové trubice vyrobené z uhlíkovej steny s hrúbkou jedného atómu. Atómová vrstva uhlíka je usporiadaná vo voštinovej mriežke. Často sa koncepčne porovnávajú so zvinutými listami z jednovrstvového grafitu alebo grafénu.
DWCNT sa skladajú z dvoch jednostenných nanotrubíc, z ktorých jedna je vnorená do druhej.
MWNT sú formou CNT, kde je vo vnútri vnorených viacero jednostenných uhlíkových nanorúrok. Keďže ich priemer sa pohybuje medzi 3–30 nm a keďže môžu dorásť do dĺžky niekoľkých cm, ich pomer strán sa môže pohybovať medzi 10 a desiatimi miliónmi. V porovnaní s uhlíkovými nanovláknami majú MWNT inú štruktúru steny, menší vonkajší priemer a duté vnútro. Bežne používané priemyselne dostupné typy MWNT sú napr. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 a FutureCarbon CNT-MW.
Syntéza CNT: CNT sa môžu vyrábať metódou syntézy na báze plazmy alebo metódou odparovania oblúkovým výbojom, metódou laserovej ablácie, procesom tepelnej syntézy, chemickou depozíciou z plynnej fázy (CVD) alebo chemickou depozíciou z plynnej fázy zosilnenou plazmou.
Funkcionalizácia CNT: Na zlepšenie vlastností uhlíkových nanotrubíc a ich vhodnosť pre konkrétnu aplikáciu sa CNT často funkcionalizujú, napr. pridaním skupín karboxylovej kyseliny (-COOH) alebo hydroxylovej (-OH).
CNT disperzné prísady
Niekoľko rozpúšťadiel, ako sú superkyseliny, iónové kvapaliny a N-cyklohexyl-2-pyrolidnón, je schopných pripraviť disperzie CNT s relatívne vysokou koncentráciou, zatiaľ čo najbežnejšie rozpúšťadlá pre nanotrubice, ako je N-metyl-2-pyrolidón (NMP), dimetylformamid (DMF) a 1,2-dichrolobenzén, môžu dispergovať nanotrubice iba vo veľmi nízkych koncentráciách (napr. typicky <00,02 hm. % jednostenných CNT). Najbežnejšími disperznými činidlami sú polyvinylpyrrolidón (PVP), dodecylbenzénsulfonát sodný (SDBS), Triton 100 alebo dodecylsulfonát sodný (SDS).
Cresoly sú skupinou priemyselných chemikálií, ktoré dokážu spracovať CNT v koncentráciách až do desiatok hmotnostných percent, čo vedie k nepretržitému prechodu od zriedených disperzií, hustých pást a voľne stojacich gélov do bezprecedentného stavu podobného cestu, keď sa zvyšuje zaťaženie CNT. Tieto stavy vykazujú polymérne reologické a viskoelastické vlastnosti, ktoré nie sú dosiahnuteľné inými bežnými rozpúšťadlami, čo naznačuje, že nanotrubice sú skutočne rozčlenené a jemne rozptýlené v krezoloch. Kresole je možné po spracovaní odstrániť zahrievaním alebo umývaním bez zmeny povrchu CNT. [Chiou et al. 2018]
Aplikácie CNT disperzií
Aby sa využili výhody CNT, musia byť rozptýlené do kvapaliny, ako sú polyméry, Rovnomerne rozptýlené CNT sa používajú na výrobu vodivých plastov, displejov z tekutých kryštálov, organických diód vyžarujúcich svetlo, dotykových obrazoviek, flexibilných displejov, solárnych článkov, vodivých atramentov, statických kontrolných materiálov vrátane fólií, pien, vlákien a tkanín, polymérnych povlakov a lepidiel, vysokovýkonných polymérnych kompozitov s výnimočnou mechanickou pevnosťou a húževnatosťou, polymérne/CNT kompozitné vlákna, ako aj ľahké a antistatické materiály.