Enakomerno dispergirane CNT z ultrazvočno obdelavo

Da bi izkoristili izjemne funkcionalne lastnosti ogljikovih nanocevk (CNT), morajo biti te homogeno dispergirane.
Ultrazvočni dispergatorji so najpogosteje uporabljeno orodje za porazdelitev CNT v vodnih suspenzijah in suspenzijah na osnovi topil.
Tehnologija ultrazvočnega dispergiranja ustvarja dovolj veliko strižno energijo za popolno ločitev CNT, ne da bi jih poškodovala.

Ultrazvočno dispergiranje ogljikovih nanocevk

Ogljikove nanocevke (CNT) imajo zelo veliko razmerje med dolžino in premerom ter majhno gostoto in izjemno veliko površino (več sto m2/g), kar jim daje edinstvene lastnosti, kot so zelo velika natezna trdnost, togost in žilavost ter zelo velika električna in toplotna prevodnost. Zaradi van der Waalsovih sil, ki privlačijo posamezne ogljikove nanocevke (CNT) med seboj, se CNT običajno združujejo v snope ali klobčiče. Te medmolekulske privlačne sile temeljijo na pojavu zlaganja π-vezi med sosednjimi nanocevkami, znanem kot π-zlaganje. Da bi v celoti izkoristili prednosti ogljikovih nanocevk, je treba te aglomerate razplesti in CNT enakomerno porazdeliti v homogeni disperziji. Intenzivna ultrazvočna obdelava ustvarja akustično kavitacijo v tekočinah. Pri tem nastala lokalna strižna napetost razbije agregate CNT in jih enakomerno dispergira v homogeni suspenziji. Tehnologija ultrazvočnega dispergiranja ustvarja dovolj veliko strižno energijo za popolno ločitev CNT, ne da bi jih poškodovala. Sonikacija se uspešno uporablja celo za razpletanje občutljivih SWNT v posamezne nanocevke. Ultrazvočna obdelava zagotavlja ravno zadostno raven napetosti za ločitev agregatov SWNT, ne da bi povzročila veliko lomljenja posameznih nanocevk (Huang, Terentjev 2012).

Prednosti ultrazvočnega dispergiranja CNT

Posamično dispergirane CNT
Homogena porazdelitev
Visoka učinkovitost dispergiranja
Visoka vsebnost CNT
Brez degradacije CNT
Hitra obdelava
Natančen nadzor procesa

Ultrazvočno sintetizirane nanotekočine so učinkovita hladilna sredstva in tekočine za toplotne izmenjevalnike. Toplotno prevodni nanomateriali znatno povečajo sposobnost prenosa in odvajanja toplote. Sonikacija je uveljavljena metoda za sintezo in funkcionalizacijo toplotno prevodnih nanodelcev ter za proizvodnjo stabilnih, visokozmogljivih nanotekočin za hlajenje.

Visokozmogljivi ultrazvočni sistemi za disperzije CNT

Hielscher Ultrasonics dobavlja zmogljivo in zanesljivo ultrazvočno opremo za učinkovito dispergiranje CNT. Ne glede na to, ali morate pripraviti majhne vzorce CNT za analize ter raziskave in razvoj ali izdelati velike industrijske šarže disperzij v velikih količinah, ponudba izdelkov Hielscher zagotavlja idealen ultrazvočni sistem za vaše zahteve. Od 50W ultrazvočnih naprav za laboratorij do 16kW industrijskih ultrazvočnih enot za komercialno proizvodnjo vam Hielscher Ultrasonics zagotavlja ustrezno rešitev.
Za izdelavo visokokakovostnih disperzij ogljikovih nanocevk je treba dobro nadzorovati procesne parametre. Amplituda, temperatura, tlak in zadrževalni čas so najpomembnejši parametri za enakomerno porazdelitev CNT. Ultrazvočne naprave Hielscher omogočajo natančen nadzor vsakega parametra, vsi procesni parametri pa se tudi samodejno beležijo na vgrajeno kartico SD digitalnih ultrazvočnih sistemov Hielscher. Zapis vsakega procesa sonikacije pomaga zagotavljati ponovljive rezultate in stalno kakovost. Z oddaljenim upravljanjem prek brskalnika lahko uporabnik upravlja in spremlja ultrazvočno napravo, ne da bi bil na lokaciji ultrazvočnega sistema.
Ker enostenske ogljikove nanocevke (SWNT) in večstenske ogljikove nanocevke (MWNT) ter izbrani vodni medij ali medij na osnovi topila zahtevajo posebne intenzivnosti obdelave, je ultrazvočna amplituda ključni dejavnik za končni izdelek. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo tako zelo velike kot zelo majhne amplitude. Določite idealno amplitudo za zahteve svojega procesa. Tudi amplitude do 200µm je mogoče brez težav neprekinjeno uporabljati pri obratovanju 24/7. Za še večje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča obratovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Naše stranke so zadovoljne z izjemno robustnostjo in zanesljivostjo sistemov Hielscher Ultrasonic. Namestitev za uporabo pri velikih obremenitvah, v zahtevnih okoljih in za obratovanje 24/7 zagotavlja učinkovito in gospodarno obdelavo. Ultrazvočna intenzifikacija procesa skrajša čas obdelave in dosega boljše rezultate, tj. višjo kakovost, večje izkoristke in inovativne izdelke.
Spodnja preglednica prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Prostornina šarže	Pretok	Priporočene naprave
0,5 do 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	večji	sklop naprav UIP16000

Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!

Ultrazvočno dispergiranje ogljikovih nanocevk: ultrazvočni procesor Hielscher UP400S (400W) hitro in učinkovito dispergira ter razpleta ogljikove nanocevke (CNT) v posamezne nanocevke.

Sorodne teme

Literatura / Viri

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.

Koristna dejstva

Kaj so ogljikove nanocevke

Ogljikove nanocevke (CNT) spadajo v poseben razred enodimenzionalnih ogljikovih materialov z izjemnimi mehanskimi, električnimi, toplotnimi in optičnimi lastnostmi. So pomembna sestavina pri razvoju in proizvodnji naprednih nanomaterialov, kot so nanokompoziti, ojačeni polimeri itd., zato se uporabljajo v najsodobnejših tehnologijah. CNT imajo zelo veliko natezno trdnost, vrhunske lastnosti prenosa toplote, majhne energijske vrzeli ter optimalno kemijsko in fizikalno stabilnost, zaradi česar so nanocevke obetaven dodatek za najrazličnejše materiale.
Glede na strukturo CNTS delimo na enostenske ogljikove nanocevke (SWNT), dvostenske ogljikove nanocevke (DWCNT) in večstenske ogljikove nanocevke (MWNT).
SWNT so votle, dolge valjaste cevke z ogljikovo steno, debelo en atom. Atomska plast ogljika je urejena v mrežo v obliki satovja. Pogosto jih konceptualno primerjamo z zvitimi plastmi enoplastnega grafita ali grafena.
DWCNT sestavljata dve enostenski nanocevki, pri čemer je ena vstavljena v drugo.
MWNT so oblika CNT, pri kateri je več enostenskih ogljikovih nanocevk vstavljenih druga v drugo. Ker je njihov premer v razponu 3–30 nm in lahko zrastejo več cm v dolžino, se lahko njihovo razmerje med dolžino in premerom giblje med 10 in deset milijonov. V primerjavi z ogljikovimi nanovlakni imajo MWNT drugačno strukturo sten, manjši zunanji premer in votlo notranjost. Pogosto uporabljene industrijsko dostopne vrste MWNT so npr. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 in FutureCarbon CNT-MW.
Sinteza CNT: CNT je mogoče proizvajati z metodo sinteze na osnovi plazme ali metodo izparevanja z obločnim razelektrenjem, metodo laserske ablacije, postopkom toplotne sinteze, kemijskim nanašanjem iz parne faze (CVD) ali s plazmo podprtim kemijskim nanašanjem iz parne faze.
Funkcionalizacija CNT: Da bi izboljšali lastnosti ogljikovih nanocevk in jih s tem naredili primernejše za določeno uporabo, CNT pogosto funkcionaliziramo, npr. z dodajanjem karboksilnih (-COOH) ali hidroksilnih (-OH) skupin.

Dodatki za dispergiranje CNT

Nekatera topila, kot so superkisline, ionske tekočine in N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, omogočajo pripravo disperzij CNT z razmeroma visoko koncentracijo, medtem ko najpogostejša topila za nanocevke, kot so N-metil-2-pirolidon (NMP), dimetilformamid (DMF) in 1,2-dichrolobenzene, lahko dispergirajo nanocevke le pri zelo nizkih koncentracijah (npr. običajno <0,02 wt% enostenskih CNT). Najpogostejša dispergirna sredstva so polivinilpirolidon (PVP), natrijev dodecilbenzensulfonat (SDBS), Triton 100 ali natrijev dodecilsulfonat (SDS).
Krezoli so skupina industrijskih kemikalij, ki omogočajo obdelavo CNT pri koncentracijah do več deset masnih odstotkov, kar z naraščanjem vsebnosti CNT povzroči zvezen prehod od razredčenih disperzij prek gostih past in samonosnih gelov do doslej še nevidenega stanja, podobnega modelirnemu testu. Ta stanja izkazujejo polimerom podobne reološke in viskoelastične lastnosti, ki jih z drugimi običajnimi topili ni mogoče doseči, kar nakazuje, da so nanocevke v krezolih dejansko deagregirane in fino dispergirane. Krezole je mogoče po obdelavi odstraniti s segrevanjem ali izpiranjem, ne da bi spremenili površino CNT. [Chiou et al. 2018]

Uporaba disperzij CNT

Da bi izkoristili prednosti CNT, jih je treba dispergirati v tekočini, kot so polimeri. Enakomerno dispergirane CNT se uporabljajo za izdelavo prevodnih plastičnih mas, zaslonov s tekočimi kristali, organskih svetlečih diod, zaslonov na dotik, upogljivih zaslonov, sončnih celic, prevodnih črnil, materialov za uravnavanje statične elektrike, vključno s folijami, penami, vlakni in tkaninami, polimernih premazov in lepil, visokozmogljivih polimernih kompozitov z izjemno mehansko trdnostjo in žilavostjo, kompozitnih vlaken iz polimerov in CNT ter lahkih in antistatičnih materialov.

Katere oblike ogljika obstajajo?
Ogljik obstaja v več alotropskih oblikah, med katerimi so:

Kristalinične oblike: diamant, grafit, grafen, ogljikove nanocevke (CNT), fulereni (npr. C₆₀).
Amorfne oblike: lesno oglje, saje, industrijske saje, steklasti ogljik, diamantu podobni ogljik (DLC), enoplastni amorfni ogljik (MAC).
Hibridne nanostrukture: nanodiamanti, ogljikove čebulice, ogljikovi aerogeli in kompoziti, kot so hibridi nanoogljika in kovin.

Vsaka oblika ima posebne fizikalno-kemijske lastnosti, pomembne za uporabo v znanosti o materialih, elektroniki in shranjevanju energije.