Kako dispergirati enostenske ogljikove nanocevke posamično

Enostenske ogljikove nanocevke (SWNT ali SWCNT) imajo edinstvene lastnosti, vendar morajo biti posamično dispergirane, da se te lastnosti izrazijo. Za popoln izkoristek izjemnih lastnosti enostenskih ogljikovih nanocevk je treba cevke čim bolj temeljito razplesti. SWNT imajo tako kot drugi nanodelci zelo močne privlačne sile, zato je za zanesljivo deaglomeracijo in dispergiranje potrebna zmogljiva in učinkovita tehnika. Običajne tehnike mešanja ne zagotavljajo intenzivnosti, potrebne za razpletanje SWNT brez poškodb, medtem ko ultrazvok visoke moči dokazano razpleta in dispergira SWCNT. Kavitacijske strižne sile, ki jih ustvarja ultrazvok, so dovolj močne, da premagajo vezivne sile, intenzivnost ultrazvoka pa je mogoče natančno prilagoditi, da se preprečijo poškodbe SWCNT.

Težava:

Enostenske ogljikove nanocevke (SWCNT) se od večstenskih ogljikovih nanocevk (MWNT/ MWCNT) razlikujejo po električnih lastnostih. Energijska vrzel SWCNT lahko sega od nič do 2 eV, njihova električna prevodnost pa kaže kovinsko ali polprevodniško vedenje. Ker so enostenske ogljikove nanocevke močno kohezivne, je ena glavnih ovir pri obdelavi SWCNT njihova inherentna netopnost v organskih topilih ali vodi. Za izkoristek celotnega potenciala SWCNT je potreben preprost in zanesljiv postopek deaglomeracije cevk, ki ga je mogoče prenesti v večje merilo. Zlasti funkcionalizacija stranskih sten ali odprtih koncev CNT za ustvarjanje ustreznega stika med SWCNT in organskim topilom povzroči le delno eksfoliacijo SWCNT. Zato so SWCNT večinoma dispergirane kot snopi in ne kot posamezne deaglomerirane vrvi. Če so pogoji med dispergiranjem pregrobi, se SWCNT skrajšajo na dolžine od 80 do 200nm. Za večino praktičnih uporab, tj. za polprevodniške ali ojačitvene SWCNT, je ta dolžina premajhna.

Rešitev:

Ultrazvočna obdelava je zelo učinkovita metoda dispergiranja in deaglomeracije ogljikovih nanocevk, saj ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti ustvarjajo kavitacijo v tekočinah. Zvočni valovi, ki se širijo v tekočih medijih, povzročajo izmenjujoče se cikle visokega tlaka (stiskanja) in nizkega tlaka (redčenja), katerih hitrost ponavljanja je odvisna od frekvence. Med ciklom nizkega tlaka ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti v tekočini ustvarjajo majhne vakuumske mehurčke ali praznine. Ko mehurčki dosežejo prostornino, pri kateri ne morejo več absorbirati energije, se med ciklom visokega tlaka silovito sesedejo. Ta pojav imenujemo kavitacija. Med implozijo se lokalno dosežejo zelo visoke temperature (pribl. 5.000K) in tlaki (pribl. 2.000atm). Implozija kavitacijskega mehurčka povzroči tudi tekočinske curke s hitrostjo do 280m/s. Ti tokovi tekočinskih curkov, ki nastanejo zaradi ultrazvočne kavitacije, premagajo vezivne sile med ogljikovimi nanocevkami, zato se nanocevke deaglomerirajo. Blaga, nadzorovana ultrazvočna obdelava je ustrezna metoda za pripravo suspenzij dispergiranih SWCNT velike dolžine, stabiliziranih s površinsko aktivnimi snovmi. Za nadzorovano proizvodnjo SWCNT ultrazvočni procesorji podjetja Hielscher omogočajo delovanje s širokim naborom kombinacij ultrazvočnih parametrov. Ultrazvočno amplitudo, tlak tekočine in sestavo tekočine je mogoče spreminjati glede na določen material in postopek. To zagotavlja različne možnosti prilagajanja, kot so

• amplitude sonotrode do 170 mikrometrov
• tlaki tekočine do 10 barov
• pretoki tekočine do 15L/min (odvisno od postopka)
• temperature tekočine do 80 degC (druge temperature na zahtevo)
• viskoznost materiala do 100.000cp

 

Poleg tega ultrazvočna obdelava kot metoda čiščenja s pomočjo polimera omogoča učinkovito odstranjevanje nečistoč iz SWCNT v stanju neposredno po rasti. Kemično modifikacijo SWCNT je težko preučevati na molekularni ravni, ker je težko pridobiti čiste SWNT. SWCNT v stanju neposredno po rasti vsebujejo številne nečistoče, kot so kovinski delci in amorfni ogljik. Ultrazvočna obdelava SWCNT v raztopini poli(metil metakrilata) PMMA v monoklorobenzenu (MCB), ki ji sledi filtracija, je učinkovit način čiščenja SWCNT. Ta metoda čiščenja s pomočjo polimera omogoča učinkovito odstranjevanje nečistoč iz SWCNT v stanju neposredno po rasti. Natančen nadzor amplitude ultrazvočne obdelave omogoča preprečevanje ali omejevanje poškodb SWCNT.

Ultrazvočna oprema

Hielscher ponuja visokozmogljive ultrazvočne procesorje za sonikacijo poljubne prostornine. Ultrazvočne naprave z močjo od 50 vatov do 16.000 vatov, ki jih je mogoče združiti v skupine, omogočajo izbiro ustrezne ultrazvočne naprave za vsako uporabo, tako v laboratoriju kot v industriji. Za zahtevno dispergiranje nanocevk je priporočljiva neprekinjena sonikacija. Z uporabo pretočnih celic podjetja Hielscher je mogoče CNT dispergirati v tekočinah s povečano viskoznostjo, kot so polimeri, taline z visoko viskoznostjo in termoplasti.

Kliknite tukaj, če želite izvedeti več o dispergiranju in modifikaciji nanocevk z ultrazvokom visoke moči!