Ултразвучно дисперговање угљеничних наноцеви (CNT)

Угљеничне наноцеви су чврсте и савитљиве, али имају веома изражену кохезивност. Тешко их је дисперговати у течностима као што су вода, етанол, уље, полимер или епоксидна смола. Ултразвук је ефикасна метода за добијање засебних – појединачно диспергованих – угљеничних наноцеви.

Угљеничне наноцеви (CNT) користе се у лепковима, премазима и полимерима, као и у својству електропроводљивих пунила у пластичним материјалима за одвођење статичког наелектрисања у електричној опреми и панелима аутомобилских каросерија погодним за електростатичко фарбање. Употребом наноцеви полимери могу постати отпорнији на температуре, агресивне хемикалије, корозивне средине, екстремне притиске и абразију. Постоје две категорије угљеничних наноцеви: једнозидне наноцеви (SWNT) и вишезидне наноцеви (MWNT).

Угљеничне наноцеви су углавном доступне у облику сувог материјала, нпр. од компанија као што су SES Research или CNT Co., Ltd. Потребан је једноставан, поуздан поступак деагломерације који се може применити у већем обиму како би се потенцијал наноцеви максимално искористио. За течности вискозности до 100.000cP, ултразвук је веома ефикасна технологија за дисперговање наноцеви у води, уљу или полимерима при ниским или високим концентрацијама. Млазеви течности који настају услед ултразвучне кавитације, савладавају силе везивања између наноцеви и раздвајају их. Захваљујући силама смицања и микротурбуленцијама насталим дејством ултразвука, ултразвук такође може помоћи при наношењу површинских превлака на наноцеви и њиховим хемијским реакцијама са другим материјалима.

Груба дисперзија наноцеви обично се најпре претходно измеша стандардном мешалицом, а затим хомогенизује у ултразвучном реактору са проточном ћелијом. Видео у наставку приказује лабораторијски оглед (шаржну соникацију помоћу уређаја UP400S) у којем се вишезидне угљеничне наноцеви диспергују у води при ниској концентрацији. Због хемијске природе угљеника, дисперговање наноцеви у води је прилично тешко. Као што је приказано у видеу, лако се може показати да ултразвучна обрада може ефикасно да диспергује наноцеви.

Ултразвучно дисперговање угљеничних наноцеви: ултразвучни уређај Hielscher UP400S (400W) брзо и ефикасно диспергује и расплиће угљеничне наноцеви (CNTs), раздвајајући их на појединачне наноцеви.

Дисперговање појединачних SWNT велике дужине

Главни проблем при обради и манипулацији SWNT јесте својствена нерастворљивост ових наноцеви у уобичајеним органским растварачима и води. Функционализација бочног зида или отворених крајева наноцеви ради стварања одговарајуће међуфазне површине између SWNT и растварача најчешће доводи само до делимичног раслојавања снопова SWNT.
Због тога се SWNT обично диспергују као снопови, а не као потпуно изоловани појединачни објекти. Када се током дисперговања примене сувише оштри услови, SWNT се скраћују на дужине између 80 и 200nm. Иако је то корисно за одређена испитивања, ова дужина је премала за већину практичних примена, као што је употреба SWNT као полупроводника или ојачања. Контролисана, блага ултразвучна обрада (нпр. помоћу уређаја UP200Ht са сонотродом од 40mm) ефикасан је поступак за припрему водених дисперзија дугих појединачних SWNT. Низови благих ултразвучних третмана своде скраћивање на минимум и омогућавају максимално очување структурних и електронских својстава.

Пречишћавање SWNT ултразвучном обрадом уз помоћ полимера

Хемијску модификацију SWNT тешко је проучавати на молекулском нивоу јер је тешко добити чисте SWNT. SWNT непосредно након синтезе садрже многе нечистоће, као што су металне честице и аморфни облици угљеника. Ултразвучна обрада SWNT у раствору поли(метил метакрилата) PMMA у монохлорбензену (MCB), праћена филтрацијом, ефикасан је начин пречишћавања SWNT. Ова метода пречишћавања уз помоћ полимера омогућава ефикасно уклањање нечистоћа из SWNT непосредно након синтезе. (Yudasaka et al.) Прецизна контрола амплитуде ултразвучне обраде омогућава ограничавање оштећења SWNT.

Hielscher – широк асортиман ултразвучних уређаја и прибора за ефикасно дисперговање наноцеви.

• Компактни лабораторијски уређаји са ултразвучном снагом до 400 вати за дисперговање у мањим запреминама до 2 литра
• UIP500hdT, UIP1000hdT и UIP1500hdT су ултразвучни процесори који могу да обрађују веће запремине.
• Ултразвучни системи снаге 2kW (UIP2000hdT) и 4kW (UIP4000hdT) могу се користити за дисперговање угљеничних наноцеви у производном обиму. Уређаји UIP10000 (10 киловата) и UIP16000 (16 киловата) могу се користити у групама од више појединачних јединица за обраду угљеничних наноцеви у великом обиму.“

Литература

• 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.