Hur man sprider enkelväggiga kolnanorör individuellt

Enkelväggiga kolnanorör (SWNT) har unika egenskaper, men för att uttrycka dem måste de vara individuellt dispergerade. För att fullt ut kunna utnyttja de exceptionella egenskaperna hos enkelväggiga kolnanorör måste rören redas ut så fullständigt som möjligt. SWNT liksom andra nanopartiklar uppvisar mycket höga attraktionskrafter, så att en kraftfull och effektiv teknik behövs för en tillförlitlig deagglomeration och dispersion. Även om vanliga blandningstekniker inte ger den intensitet som behövs för att reda ut SWNT:er utan att skada dem, har högeffektsultraljud visat sig reda ut och sprida SWCNT:er. Ultraljudsgenererade kavitationsskjuvkrafter är tillräckligt kraftfulla för att övervinna bindningskrafterna, medan ultraljudsintensiteten kan justeras exakt för att undvika skador från SWCNT:erna.

Problem:

Enkelväggiga kolnanorör (SWCNT) skiljer sig från flerväggiga kolnanorör (MWNT) genom sina elektriska egenskaper. Bandgapet för SWCNT:er kan variera från noll till 2 eV och deras elektriska ledningsförmåga har metalliskt eller halvledande beteende. Eftersom enkelväggiga kolnanorör är mycket sammanhängande, är ett av de största hindren vid bearbetning av SWCNT:er att rören är olösliga i organiska lösningsmedel eller vatten. För att utnyttja den fulla potentialen hos SWCNT:er behövs en enkel, tillförlitlig och skalbar deagglomerationsprocess av rören. Speciellt funktionaliseringen av CNT-sidoväggarna eller öppna ändar för att skapa ett lämpligt gränssnitt mellan SWCNT:erna och det organiska lösningsmedlet resulterar endast i partiell exfoliering av SWCNT:erna. Därför är SWCNT:er mestadels spridda som buntar snarare än enskilda deagglomererade rep. Om förhållandena under dispersionen är för svåra kommer SWCNT:erna att förkortas till längder mellan 80 och 200 nm. För de flesta praktiska tillämpningar, d.v.s. för halvledande eller förstärkande SWCNT, är denna längd för liten.

Lösning:

Ultraljud är en mycket effektiv metod för dispergering och deagglomerering av kolnanorör, eftersom ultraljudsvågor av högintensivt ultraljud genererar kavitation i vätskor. Ljudvågorna som fortplantas i det flytande mediet resulterar i omväxlande högtryckscykler (kompression) och lågtryckscykler (sällsynthet), med hastigheter beroende på frekvensen. Under lågtryckscykeln skapar högintensiva ultraljudsvågor små vakuumbubblor eller hålrum i vätskan. När bubblorna når en volym där de inte längre kan absorbera energi, kollapsar de våldsamt under en högtryckscykel. Detta fenomen kallas kavitation. Under implosionen uppnås mycket höga temperaturer (ca 5 000 K) och tryck (ca 2 000 atm) lokalt. Implosionen av kavitationsbubblan resulterar också i vätskestrålar med en hastighet på upp till 280 m/s. Dessa vätskestrålar som härrör från ultraljud kavitation, övervinna bindningskrafterna mellan kolnanorören och därmed blir nanorören deagglomererade. En mild, kontrollerad ultraljudsbehandling är en lämplig metod för att skapa ytaktiva stabiliserade suspensioner av dispergerade SWCNTs med hög längd. För kontrollerad produktion av SWCNT:er gör Hielschers ultraljudsprocessorer det möjligt att köra på ett brett spektrum av ultraljudsparameteruppsättningar. Ultraljudsamplituden, vätsketrycket och vätskesammansättningen kan varieras respektive till det specifika materialet och processen. Detta ger variabla möjligheter till justeringar, t.ex.

• Sonotrode amplituder på upp till 170 mikron
• Vätsketryck på upp till 10 bar
• vätskeflöden på upp till 15 l/min (beroende på process)
• vätsketemperaturer på upp till 80 °C (andra temperaturer på begäran)
• materialviskositet på upp till 100 000 cp

 

Dessutom, ultraljud som en polymer-assisterad reningsmetod gör det möjligt att effektivt avlägsna föroreningar från odlade SWCNTs. Det är svårt att studera den kemiska modifieringen av SWCNT:er på molekylär nivå, eftersom det är svårt att få fram rena SWNT:er. Odlade SWCNT:er innehåller många föroreningar, såsom metallpartiklar och amorft kol. Ultraljud av SWCNTs i en monoklorbensen (MCB) lösning av poly(metylmetakrylat) PMMA följt av filtrering är ett effektivt sätt att rena SWCNTs. Denna polymerassisterade reningsmetod gör det möjligt att effektivt avlägsna föroreningar från odlade SWCNT:er. Noggrann kontroll av ultraljudsamplituden gör det möjligt att undvika eller begränsa skador på SWCNTs.

Ultraljudsutrustning

Hielscher erbjuder hög prestanda Ultraljudsprocessorer för ultraljudsbehandling av varje volym. Ultraljudsenheter från 50 watt upp till 16 000 watt, som kan sättas upp i kluster, gör det möjligt att hitta lämplig ultraljud för varje applikation, i laboratoriet såväl som i industrin. För sofistikerad dispersion av nanorör, en kontinuerlig ultraljudsbehandling rekommenderas. Med hjälp av Hielschers flödesceller blir det möjligt att dispergera CNT i vätskor med förhöjd viskositet såsom polymerer, smältor med hög viskositet och termoplaster.

Klicka här för att läsa mer om dispersion och modifiering av nanorör med hjälp av ultraljud med hög effekt!