Dispergimi ultrasonik i nanotubave të karbonit (CNT)

Nanotubat e karbonit janë të fortë dhe fleksibël, por kanë kohezion shumë të lartë. Ata dispergohen me vështirësi në lëngje si uji, etanoli, vaji, polimeri ose rrëshira epokside. Ultratingulli është një metodë efektive për të përftuar nanotuba karboni të veçuar – të disperguar individualisht.

Nanotubat e karbonit (CNT) përdoren në ngjitës, veshje dhe polimere, si dhe si mbushës përçues elektrikë në plastika për të shpërndarë ngarkesat statike në pajisjet elektrike dhe në panelet e karrocerive të automobilave që mund të lyhen në mënyrë elektrostatike. Përmes përdorimit të nanotubave, polimeret mund të bëhen më rezistente ndaj temperaturave, kimikateve agresive, mjediseve korrozive, presioneve ekstreme dhe abrazionit. Ekzistojnë dy kategori nanotubash karboni: nanotubat me një mur (SWNT) dhe nanotubat me shumë mure (MWNT).

Nanotubat e karbonit përgjithësisht ofrohen si material i thatë, p.sh. nga kompani si SES Research ose CNT Co., Ltd. Nevojitet një proces i thjeshtë, i besueshëm dhe i shkallëzueshëm për deaglomerimin, në mënyrë që të shfrytëzohet potenciali maksimal i nanotubave. Për lëngje deri në 100 000cP, ultratingulli është një teknologji shumë efektive për dispergimin e nanotubave në ujë, vaj ose polimere në përqendrime të ulëta ose të larta. Rrymat e vrullshme të lëngut që krijohen nga kavitacioni ultrasonik, kapërcejnë forcat lidhëse ndërmjet nanotubave dhe i ndajnë tubat nga njëri-tjetri. Për shkak të forcave të prerjes dhe mikroturbulencave të krijuara në mënyrë ultrasonike, ultratingulli mund të ndihmojë gjithashtu në veshjen sipërfaqësore dhe reaksionin kimik të nanotubave me materiale të tjera.

Në përgjithësi, një dispersion i trashë i nanotubave parapërzihet fillimisht me një përzierës standard dhe më pas homogjenizohet në reaktorin ultrasonik me qelizë rrjedhjeje. Videoja më poshtë tregon një provë laboratorike (sonikim në seri duke përdorur një UP400S) për dispergimin e nanotubave të karbonit me shumë mure në ujë në përqendrim të ulët. Për shkak të natyrës kimike të karbonit, dispergimi i nanotubave në ujë është mjaft i vështirë. Siç tregohet në video, mund të demonstrohet lehtësisht se sonikimi është në gjendje t’i dispergojë nanotubat në mënyrë efektive.

Dispergimi tejzanor i nanotubave të karbonit: Sonikatori Hielscher UP400S (400W) i dispergon dhe i shpleks nanotubat e karbonit (CNT) shpejt dhe me efikasitet në nanotuba të veçuar.

Dispergimi i SWNT-ve individuale me gjatësi të madhe

Një problem i madh për përpunimin dhe manipulimin e SWNT-ve është patretshmëria e tyre e qenësishme në tretësit organikë të zakonshëm dhe në ujë. Funksionalizimi i murit anësor ose i skajeve të hapura të nanotubave për të krijuar një ndërfaqe të përshtatshme ndërmjet SWNT-ve dhe tretësit kryesisht çon vetëm në eksfolim të pjesshëm të tufave të SWNT-ve.
Si rezultat, SWNT-të zakonisht dispergohen si tufa dhe jo si objekte individuale plotësisht të izoluara. Kur gjatë dispergimit përdoren kushte tepër të ashpra, SWNT-të shkurtohen në gjatësi ndërmjet 80 dhe 200nm. Ndonëse kjo është e dobishme për disa prova, kjo gjatësi është tepër e vogël për shumicën e zbatimeve praktike, siç janë SWNT-të gjysmëpërçuese ose përforcuese. Trajtimi ultrasonik i kontrolluar dhe i butë (p.sh. me UP200Ht me sonotrodë 40mm) është një procedurë efektive për përgatitjen e dispersioneve ujore të SWNT-ve individuale të gjata. Sekuencat e sonikimit të butë minimizojnë shkurtimin dhe mundësojnë ruajtjen maksimale të vetive strukturore dhe elektronike.

Pastrimi i SWNT-ve me sonikim të asistuar nga polimeri

Është e vështirë të studiohet modifikimi kimik i SWNT-ve në nivel molekular, sepse është e vështirë të përftohen SWNT të pastra. SWNT-të në gjendjen pas rritjes përmbajnë shumë papastërti, si grimca metalike dhe karbone amorfe. Sonikimi i SWNT-ve në një tretësirë poli(metakrilati metili) PMMA në monoklorobenzen (MCB), i ndjekur nga filtrimi, është një mënyrë efektive për pastrimin e SWNT-ve. Kjo metodë pastrimi e asistuar nga polimeri mundëson largimin efektiv të papastërtive nga SWNT-të në gjendjen pas rritjes. (Yudasaka et al.) Kontrolli i saktë i amplitudës së sonikimit mundëson kufizimin e dëmtimeve të SWNT-ve.

Gama e gjerë e pajisjeve ultrasonike të Hielscher dhe e aksesorëve për dispergimin efikas të nanotubave.

• Pajisje laboratorike kompakte me deri në 400 vat fuqi ultrasonike për dispergimin në vëllime më të vogla deri në 2 litra
• UIP500hdT, UIP1000hdT dhe UIP1500hdT janë procesorë ultrasonikë që mund të përpunojnë vëllime më të mëdha.
• Sistemet ultrasonike me fuqi 2kW (UIP2000hdT) dhe 4kW (UIP4000hdT) mund të përdoren për dispergimin e nanotubave të karbonit në shkallë prodhimi. UIP10000 (10 kilovat) dhe UIP16000 (16 kilovat) mund të përdoren në grupe prej disa njësish individuale për përpunimin në shkallë të gjerë të nanotubave të karbonit.”

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.