Ultrazvočna disperzija ogljikovih nanocevk (CNT)

Ogljikove nanocevke so močne in prožne, vendar zelo kohezivne. Težko jih je razpršiti v tekočine, kot so voda, etanol, olje, polimerna ali epoksidna smola. Ultrazvok je učinkovita metoda za pridobitev diskretnega – enojno razpršeno – ogljikove nanocevke.

Ogljikove nanocevke (CNT) se uporabljajo v lepilih, premazih in polimerih ter kot električno prevodna polnila v plastiki za razpršitev statičnih nabojev v električni opremi in v elektrostatično barvnih avtomobilskih karoserijskih ploščah. Z uporabo nanocevk lahko polimeri postanejo bolj odporni na temperature, ostre kemikalije, korozivna okolja, ekstremne pritiske in abrazijo. Obstajata dve kategoriji ogljikovih nanocevk: enostenske nanocevke (SWNT) in večstenske nanocevke (MWNT).

Ogljikove nanocevke so na splošno na voljo kot suhi material, npr. pri podjetjih, kot so Raziskave SES ali CNT Co., Ltd. Potreben je enostaven, zanesljiv in prilagodljiv postopek za deaglomeracijo, da bi nanocevke izkoristili svoj največji potencial. Za tekočine do 100.000 cP je ultrazvok zelo učinkovita tehnologija za razprševanje nanocevk v vodi, olju ali polimerih pri nizkih ali visokih koncentracijah. Tekoči curki, ki nastanejo zaradi Ultrazvočna kavitacija, premagati vezne sile med nanocevkami in ločiti cevi. Zaradi ultrazvočno ustvarjenih strižnih sil in mikro turbulenc lahko ultrazvok pomaga tudi pri površinski prevleki in kemični reakciji nanocevk z drugimi materiali.

Na splošno se groba disperzija nanocevk najprej zmeša s standardnim mešalom in nato homogenizira v ultrazvočnem reaktorju pretočne celice. Spodnji videoposnetek prikazuje laboratorijsko preskušanje (serijsko ultrazvočno razbijanje z uporabo UP400S) razpršitev večstenskih ogljikovih nanocevk v vodi pri nizki koncentraciji. Zaradi kemične narave ogljika je razprševanje nanocevk v vodi precej težko. Kot je prikazano v videu, je mogoče zlahka dokazati, da je ultrasonication sposoben učinkovito razpršiti nanocevke.

Razpršenost posameznih JNT velike dolžine

Glavni problem pri obdelavi in manipulaciji SWNT je inherentna netopnost cevi v običajnih organskih topilih in vodi. Funkcionalizacija stranske stene nanocevke ali odprtih koncev za ustvarjanje ustreznega vmesnika med SWNT in topilom večinoma vodi samo do delnega luščenja vrvi SWNT.
Posledično so SWNT običajno razpršeni kot snopi in ne kot popolnoma izolirani posamezni predmeti. Ko se med disperzijo uporabijo pretežki pogoji, se SWNT skrajšajo na dolžino med 80 in 200 nm. Čeprav je to uporabno za nekatere teste, je ta dolžina premajhna za večino praktičnih aplikacij, kot so polprevodniški ali ojačevalni SWNT. UP200Ht s 40 mm sonotrodo) je učinkovit postopek za pripravo vodnih disperzij dolgih posameznih SWNT. Zaporedja blage ultrazvočne razširitve zmanjšajo skrajšanje in omogočajo maksimalno ohranitev strukturnih in elektronskih lastnosti.

Čiščenje SWNT s polimerno podprto ultrazvokom

Težko je preučevati kemično modifikacijo SWNT na molekularni ravni, ker je težko dobiti čiste SWNT. Ultrasonication SWNT v monoklorobenzenu (MCB) raztopini poli(metil metakrilata) PMMA, ki ji sledi filtracija, je učinkovit način za čiščenje SWNT. Ta metoda čiščenja s pomočjo polimerov omogoča učinkovito odstranjevanje nečistoč iz gojenih SWNT. (Yudasaka et al.) Natančen nadzor amplitude ultrazvoka omogoča omejitev poškodb SWNT.

Hielscherjeva široka paleta ultrazvočnih naprav in dodatki za učinkovito razprševanje nanocevk.

• Kompaktne laboratorijske naprave do 400 vatov ultrazvočne moči za razpršitev v manjše prostornine do 2 litra
• UIP500hdT, UIP1000hdT in UIP1500hdT so ultrazvočni procesorji, ki lahko obdelujejo večje količine.
• Ultrazvočni sistemi 2kW (UIP2000hdT) in 4kW (UIP4000hdT) se lahko uporablja za razpršitev ogljikovih nanocevk v proizvodnem obsegu. T UIP10000 (10 kilovatov) in UIP16000 (16 kilovatov) se lahko uporablja v grozdih več posameznih enot za obsežno obdelavo ogljikovih nanocevk.”

Književnost

• 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.