Равномерно дисперговане CNT ултразвучном обрадом

Да би се искористиле изузетне функционалне особине угљеничних наноцеви (CNT), оне морају бити хомогено дисперговане.
Ултразвучни диспергатори су најчешће коришћено средство за распоређивање CNT у воденим суспензијама и суспензијама на бази растварача.
Технологија ултразвучног дисперговања ствара довољно високу енергију смицања да се постигне потпуно раздвајање CNT без њиховог оштећивања.

Ултразвучно дисперговање угљеничних наноцеви

Угљеничне наноцеви (CNT) имају веома висок однос дужине и пречника, малу густину и огромну специфичну површину (неколико стотина m2/g), што им даје јединствена својства као што су веома висока затезна чврстоћа, крутост и жилавост, као и веома висока електрична и топлотна проводљивост. Због Ван дер Валсових сила, које привлаче појединачне угљеничне наноцеви (CNT) једне ка другима, CNT се обично групишу у снопове или клупка. Ове међумолекулске силе привлачења заснивају се на појави слагања π-веза између суседних наноцеви, познатој као π-слагање. Да би се у потпуности искористиле предности угљеничних наноцеви, ови агломерати морају се размрсити, а CNT равномерно распоредити у хомогеној дисперзији. Интензивна ултразвучна обрада ствара акустичку кавитацију у течностима. Локално смичуће напрезање које се притом ствара разбија агрегате CNT и равномерно их диспергује у хомогеној суспензији. Технологија ултразвучног дисперговања ствара довољно високу енергију смицања да се постигне потпуно раздвајање CNT без њиховог оштећивања. Ултразвучна обрада успешно се примењује чак и на осетљиве SWNT како би се појединачно размрсиле. Ултразвучна обрада обезбеђује управо довољан ниво напрезања за раздвајање агрегата SWNT, а да притом не изазива значајно ломљење појединачних наноцеви (Huang, Terentjev 2012).

Предности ултразвучног дисперговања CNT

Појединачно дисперговане CNT
Хомогена расподела
Висока ефикасност дисперговања
Висок садржај CNT
Без деградације CNT
Брза обрада
Прецизна контрола процеса

Ултразвучно синтетисани нанофлуиди ефикасне су расхладне течности и течности за измењиваче топлоте. Топлотно проводљиви наноматеријали значајно повећавају способност преноса и одвођења топлоте. Соникација је добро утврђена метода за синтезу и функционализацију топлотно проводљивих наночестица, као и за производњу стабилних нанофлуида високих перформанси за примену у хлађењу.

Ултразвучни системи високих перформанси за дисперзије CNT

Hielscher Ultrasonics испоручује снажну и поуздану ултразвучну опрему за ефикасно дисперговање CNT. Било да треба да припремите мале узорке CNT за анализу и истраживање и развој или да произведете велике индустријске серије дисперзија у великим количинама, асортиман производа компаније Hielscher нуди идеалан ултразвучни систем за ваше захтеве. Од ултразвучних уређаја снаге 50W за лабораторије до индустријских ултразвучних јединица снаге 16kW за комерцијалну производњу, Hielscher Ultrasonics покрива ваше потребе.
Да би се произвеле висококвалитетне дисперзије угљеничних наноцеви, параметри процеса морају се добро контролисати. Амплитуда, температура, притисак и време задржавања најкритичнији су параметри за равномерну расподелу CNT. Ултразвучни уређаји компаније Hielscher не само да омогућавају прецизну контролу сваког параметра већ се сви параметри процеса аутоматски бележе на интегрисаној SD картици дигиталних ултразвучних система компаније Hielscher. Запис сваког процеса ултразвучне обраде помаже да се обезбеде поновљиви резултати и уједначен квалитет. Путем даљинског управљања преко веб-прегледача, корисник може да управља ултразвучним уређајем и надзире га без присуства на локацији ултразвучног система.
Пошто једнозидне угљеничне наноцеви (SWNT) и вишезидне угљеничне наноцеви (MWNT), као и одабрана водена средина или средина на бази растварача, захтевају специфичне интензитете обраде, ултразвучна амплитуда је кључни фактор за коначни производ. Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics могу да обезбеде како веома високе тако и веома ниске амплитуде. Одредите идеалну амплитуду према захтевима вашег процеса. Чак и амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно у режиму рада 24/7. За још више амплитуде доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде. Робусност ултразвучне опреме компаније Hielscher омогућава рад 24/7 при великим оптерећењима и у захтевним окружењима.
Наши купци су задовољни изузетном робусношћу и поузданошћу ултразвучних система компаније Hielscher. Инсталирање за примене са великим оптерећењима, у захтевним окружењима и за рад 24/7 обезбеђује ефикасну и економичну обраду. Ултразвучно интензивирање процеса скраћује време обраде и постиже боље резултате, односно виши квалитет, веће приносе и иновативне производе.
Табела у наставку даје оквирну представу о приближном капацитету обраде наших ултразвучних уређаја:

Запремина шарже	Проток	Препоручени уређаји
0,5 до 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 до 500mL	10 до 200mL/min	UP100H
10 до 2000mL	20 до 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 до 20L	0,2 до 4L/min	UIP2000hdT
10 до 100L	2 до 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 до 100L/min	UIP16000
n.a.	већи	група уређаја UIP16000

Контактирајте нас! / Питајте нас!

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

Повезане теме

Литература / Референце

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.

Чињенице које вреди знати

Шта су угљеничне наноцеви

Угљеничне наноцеви (CNT) припадају посебној класи једнодимензионалних угљеничних материјала који испољавају изузетна механичка, електрична, топлотна и оптичка својства. Оне су главна компонента која се користи у развоју и производњи напредних наноматеријала, као што су нанокомпозити, ојачани полимери итд., па се стога користе у најсавременијим технологијама. CNT испољавају веома високу затезну чврстоћу, врхунска својства преноса топлоте, уске забрањене енергетске зоне и оптималну хемијску и физичку стабилност, што наноцеви чини перспективним адитивом за разноврсне материјале.
У зависности од структуре, CNT се деле на једнозидне угљеничне наноцеви (SWNT), двозидне угљеничне наноцеви (DWCNT) и вишезидне угљеничне наноцеви (MWNT).
SWNT су шупље, дуге цилиндричне цеви са угљеничним зидом дебљине једног атома. Слој атома угљеника распоређен је у решетку у облику саћа. Често се концептуално пореде са увијеним листовима једнослојног графита или графена.
DWCNT се састоје од две једнозидне наноцеви, при чему је једна смештена унутар друге.
MWNT су облик CNT у ком је више једнозидних угљеничних наноцеви смештено једна унутар друге. Пошто се њихов пречник креће у распону 3–30 nm, а могу достићи дужину од неколико cm, њихов однос дужине и пречника може варирати између 10 и десет милиона. У поређењу са угљеничним нановлакнима, MWNT имају другачију структуру зида, мањи спољашњи пречник и шупљу унутрашњост. Често коришћени индустријски доступни типови MWNT су, на пример, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 и FutureCarbon CNT-MW.
Синтеза CNT: CNT се могу производити методом синтезе на бази плазме или методом испаравања електролучним пражњењем, методом ласерске аблације, поступком термичке синтезе, хемијским таложењем из парне фазе (CVD) или хемијским таложењем из парне фазе потпомогнутим плазмом.
Функционализација CNT: Да би се побољшале карактеристике угљеничних наноцеви и тиме повећала њихова погодност за одређену примену, CNT се често функционализују, на пример додавањем карбоксилних (-COOH) или хидроксилних (-OH) група.

Адитиви за дисперговање CNT

Неколико растварача, као што су суперкиселине, јонске течности и N-циклохексил-2-пиролидон, омогућава припрему дисперзија CNT релативно високе концентрације, док најчешће коришћени растварачи за наноцеви, као што су N-метил-2-пиролидон (NMP), диметилформамид (DMF) и 1,2-дихлоробензен, могу дисперговати наноцеви само при веома ниским концентрацијама (нпр. обично <0,02 wt% једнозидних CNT). Најчешће коришћена средства за дисперговање су поливинилпиролидон (PVP), натријум-додецилбензенсулфонат (SDBS), Triton 100 или натријум-додецилсулфонат (SDS).
Крезоли су група индустријских хемикалија које омогућавају обраду CNT при концентрацијама до више десетина масених процената, што са повећањем садржаја CNT доводи до континуираног преласка од разблажених дисперзија, преко густих паста и самостојећих гелова, до до сада незабележеног стања налик пластелину. Ова стања испољавају реолошка и вискоеластична својства слична полимерима, која се не могу постићи другим уобичајеним растварачима, што указује на то да су наноцеви заиста раздвојене из агрегата и фино дисперговане у крезолима. Крезоли се након обраде могу уклонити загревањем или испирањем, без промене површине CNT. [Chiou et al. 2018]

Примене дисперзија CNT

Да би се искористиле предности CNT, оне се морају дисперговати у течности, као што је полимер. Равномерно дисперговане CNT користе се за производњу проводљиве пластике, дисплеја са течним кристалима, органских светлећих диода, екрана осетљивих на додир, савитљивих дисплеја, соларних ћелија, проводљивих мастила, материјала за контролу статичког електрицитета, укључујући фолије, пене, влакна и тканине, полимерних премаза и лепкова, полимерних композита високих перформанси са изузетном механичком чврстоћом и жилавошћу, композитних влакана полимер/CNT, као и лаких и антистатичких материјала.

Који су облици угљеника?
Угљеник постоји у неколико алотропских облика, укључујући:

Кристални облици: дијамант, графит, графен, угљеничне наноцеви (CNT), фулерени (нпр., C₆₀).
Аморфни облици: дрвени угаљ, чађ, техничка чађ, стакласти угљеник, угљеник сличан дијаманту (DLC), једнослојни аморфни угљеник (MAC).
Хибридне наноструктуре: нанодијаманти, луковичасте угљеничне наноструктуре, угљенични аерогелови и композити попут хибрида наноугљеника и метала.

Сваки облик испољава посебна физичкохемијска својства значајна за примене у науци о материјалима, електроници и складиштењу енергије.