Ultrazvočno dispergiranje ogljikovih nanocevk (CNT)
Ogljikove nanocevke so trdne in prožne, vendar imajo zelo močno medsebojno kohezijo. Težko jih je dispergirati v tekočinah, kot so voda, etanol, olje, polimer ali epoksidna smola. Ultrazvok je učinkovita metoda za pridobivanje ločenih – posamično dispergiranih – ogljikovih nanocevk.
Ogljikove nanocevke (CNT) se uporabljajo v lepilih, premazih in polimerih ter kot električno prevodna polnila v plastiki za odvajanje statičnega naboja v električni opremi in avtomobilskih karoserijskih panelih, primernih za elektrostatično barvanje. Z uporabo nanocevk lahko polimeri postanejo odpornejši proti temperaturam, agresivnim kemikalijam, korozivnim okoljem, izjemnim tlakom in obrabi. Obstajata dve kategoriji ogljikovih nanocevk: enostenske nanocevke (SWNT) in večstenske nanocevke (MWNT).
Industrijski ultrazvočni homogenizator UIP1500hdT za dispergiranje ogljikovih nanocevk (CNT) in drugih nanomaterialov.
Ogljikove nanocevke so običajno na voljo kot suh material, npr. pri podjetjih, kot sta SES Research ali CNT Co., Ltd. Za čim boljši izkoristek potenciala nanocevk je potreben preprost in zanesljiv postopek deaglomeracije, ki ga je mogoče prilagoditi večjemu obsegu. Pri tekočinah z viskoznostjo do 100.000cP je ultrazvok zelo učinkovita tehnologija za dispergiranje nanocevk v vodi, olju ali polimerih pri nizkih ali visokih koncentracijah. Tekočinski curki, ki nastajajo zaradi ultrazvočne kavitacije, premagajo vezivne sile med nanocevkami in jih ločijo. Zaradi ultrazvočno ustvarjenih strižnih sil in mikroturbulenc lahko ultrazvok pomaga tudi pri površinskem prevlekanju nanocevk in njihovih kemijskih reakcijah z drugimi materiali.
Grobo disperzijo nanocevk običajno najprej predhodno premešajo z običajnim mešalom in jo nato homogenizirajo v ultrazvočnem reaktorju s pretočno celico. Spodnji videoposnetek prikazuje laboratorijski preizkus (šaržna sonikacija z napravo UP400S), pri katerem se večstenske ogljikove nanocevke dispergirajo v vodi pri nizki koncentraciji. Zaradi kemijske narave ogljika je dispergiranje nanocevk v vodi precej težavno. Kot prikazuje videoposnetek, je mogoče preprosto dokazati, da lahko sonikacija učinkovito dispergira nanocevke.
Primerjava različnih nanopolnil, dispergiranih v trdilcu z uporabo sonikacije s sondo): (a) 0,5 wt% ogljikovih nanovlaken (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxid; (c) 0,5 wt% ogljikovih nanocevk (CNT); (d) 0,5 wt% delno dispergiranih CNT.
Študija in slika: ©Zanghellini et al., 2021
Dispergiranje posameznih dolgih SWNT
Velika težava pri obdelavi SWNT in ravnanju z njimi je njihova inherentna netopnost v običajnih organskih topilih in vodi. Funkcionalizacija stranske stene ali odprtih koncev nanocevk za vzpostavitev ustreznega medfaznega stika med SWNT in topilom večinoma povzroči le delno razdruževanje vrvi podobnih snopov SWNT.
Zato so SWNT običajno dispergirane v snopih in ne kot popolnoma ločene posamezne nanocevke. Če se pri dispergiranju uporabijo prestrogi pogoji, se SWNT skrajšajo na dolžine med 80 in 200nm. Čeprav je to koristno za nekatere preizkuse, je ta dolžina premajhna za večino praktičnih uporab, na primer za polprevodniške ali ojačitvene SWNT. Nadzorovana, blaga ultrazvočna obdelava (npr. z napravo UP200Ht s 40mm sonotrodo) je učinkovit postopek za pripravo vodnih disperzij dolgih posameznih SWNT. Zaporedja blagih sonikacij zmanjšajo krajšanje na najmanjšo možno mero in omogočajo največjo možno ohranitev strukturnih in elektronskih lastnosti.
Čiščenje SWNT s sonikacijo ob pomoči polimera
Kemijsko modifikacijo SWNT je težko preučevati na molekularni ravni, saj je težko pridobiti čiste SWNT. SWNT neposredno po rasti vsebujejo številne nečistoče, kot so kovinski delci in amorfne oblike ogljika. Sonikacija SWNT v raztopini poli(metil metakrilata) PMMA v monoklorobenzenu (MCB), ki ji sledi filtracija, je učinkovit način čiščenja SWNT. Ta metoda čiščenja ob pomoči polimera omogoča učinkovito odstranjevanje nečistoč iz SWNT neposredno po rasti. (Yudasaka et al.) Natančen nadzor amplitude sonikacije omogoča omejevanje poškodb SWNT.
Pri podjetju Hielscher je na voljo široka ponudba ultrazvočnih naprav in dodatne opreme za učinkovito dispergiranje nanocevk.
- Kompaktne laboratorijske naprave z ultrazvočno močjo do 400 vatov za dispergiranje v manjših prostorninah do 2 litrov
- UIP500hdT, UIP1000hdT in UIP1500hdT so ultrazvočni procesorji, ki lahko obdelujejo večje prostornine.
- Ultrazvočna sistema z močjo 2kW (UIP2000hdT) in 4kW (UIP4000hdT) se lahko uporabljata za dispergiranje ogljikovih nanocevk v proizvodnem obsegu. Napravi UIP10000 (10 kilovatov) in UIP16000 (16 kilovatov) se lahko uporabljata v sklopih več posameznih enot za obdelavo ogljikovih nanocevk v velikem obsegu.”
Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!
Literatura
- 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 izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijskih do industrijskih velikosti.