Så dispergerar du enkelväggiga kolnanorör individuellt

Enkelväggiga kolnanorör (SWNTs eller SWCNTs) har unika egenskaper, men för att dessa ska komma till uttryck måste rören dispergeras individuellt. För att fullt ut utnyttja de exceptionella egenskaperna hos enkelväggiga kolnanorör måste rören redas ut så fullständigt som möjligt. SWNTs uppvisar, liksom andra nanopartiklar, mycket starka attraktionskrafter, vilket innebär att en kraftfull och effektiv teknik krävs för tillförlitlig deagglomerering och dispergering. Vanliga blandningstekniker ger inte den intensitet som krävs för att reda ut SWNTs utan att skada dem, medan högeffektultraljud har visat sig kunna reda ut och dispergera SWCNTs. De skjuvkrafter som uppstår genom ultraljudsgenererad kavitation är tillräckligt starka för att övervinna bindningskrafterna, samtidigt som ultraljudsintensiteten kan justeras exakt för att undvika skador på SWCNTs.

Problem:

Enkelväggiga kolnanorör (SWCNTs) skiljer sig från flerväggiga kolnanorör (MWNTs/ MWCNTs) genom sina elektriska egenskaper. Bandgapet hos SWCNTs kan variera från noll till 2 eV, och deras elektriska ledningsförmåga uppvisar metalliskt eller halvledande beteende. Eftersom enkelväggiga kolnanorör har stark inbördes sammanhållning är rörens inneboende olöslighet i organiska lösningsmedel eller vatten ett av de största hindren vid bearbetning av SWCNTs. För att utnyttja SWCNTs fulla potential behövs en enkel, tillförlitlig och skalbar process för deagglomerering av rören. Framför allt leder funktionalisering av CNT-rörens sidoväggar eller öppna ändar för att skapa en lämplig gränsyta mellan SWCNTs och det organiska lösningsmedlet endast till partiell exfoliering av SWCNTs. Därför dispergeras SWCNTs oftast som buntar snarare än som enskilda deagglomererade rep. Om förhållandena under dispergeringen är alltför hårda förkortas SWCNTs till längder mellan 80 och 200nm. För flertalet praktiska tillämpningar, det vill säga för halvledande eller förstärkande SWCNTs, är denna längd för liten.

Lösning:

Ultraljudsbehandling är en mycket effektiv metod för dispergering och deagglomerering av kolnanorör, eftersom högintensiva ultraljudsvågor genererar kavitation i vätskor. Ljudvågorna som fortplantas i vätskemediet ger upphov till omväxlande högtryckscykler (kompression) och lågtryckscykler (förtunning), med en takt som beror på frekvensen. Under lågtryckscykeln skapar högintensiva ultraljudsvågor små vakuumbubblor eller hålrum i vätskan. När bubblorna når en volym vid vilken de inte längre kan absorbera energi kollapsar de våldsamt under en högtryckscykel. Detta fenomen kallas kavitation. Under implosionen uppnås lokalt mycket höga temperaturer (cirka 5 000K) och tryck (cirka 2 000atm). Kavitationsbubblans implosion ger också upphov till vätskestrålar med hastigheter på upp till 280m/s. Dessa vätskeströmmar som uppstår genom ultraljudskavitation, övervinner bindningskrafterna mellan kolnanorören, vilket leder till att nanorören deagglomereras. En mild, kontrollerad ultraljudsbehandling är en lämplig metod för att skapa tensidstabiliserade suspensioner av dispergerade SWCNTs med stor längd. För kontrollerad produktion av SWCNTs möjliggör Hielschers ultraljudsprocessorer drift med ett brett urval av parameterkombinationer för ultraljudet. Ultraljudsamplituden, vätsketrycket och vätskans sammansättning kan varieras utifrån det specifika materialet och processen. Detta ger varierande inställningsmöjligheter, såsom

• sonotrodamplituder på upp till 170 mikrometer
• vätsketryck på upp till 10 bar
• vätskeflöden på upp till 15L/min (beroende på processen)
• vätsketemperaturer på upp till 80 degC (andra temperaturer på begäran)
• materialviskositet på upp till 100 000cp

 

Dessutom möjliggör ultraljudsbehandling som polymerassisterad reningsmetod effektiv borttagning av föroreningar från SWCNTs direkt efter tillväxten. Det är svårt att studera den kemiska modifieringen av SWCNTs på molekylär nivå, eftersom det är svårt att få fram rena SWNTs. SWCNTs direkt efter tillväxten innehåller många föroreningar, såsom metallpartiklar och amorft kol. Ultraljudsbehandling av SWCNTs i en lösning av poly(metylmetakrylat), PMMA, i monoklorbensen (MCB), följt av filtrering, är ett effektivt sätt att rena SWCNTs. Denna polymerassisterade reningsmetod gör det möjligt att effektivt avlägsna föroreningar från SWCNTs direkt efter tillväxten. Noggrann kontroll av ultraljudsamplituden gör det möjligt att undvika eller begränsa skador på SWCNTs.

Ultraljudsutrustning

Hielscher erbjuder högpresterande ultraljudsprocessorer för ultraljudsbehandling av alla volymer. Ultraljudsapparater från 50 watt upp till 16 000 watt, som kan sammanföras i kluster, gör det möjligt att hitta lämplig ultraljudsutrustning för varje tillämpning, såväl i laboratoriet som inom industrin. För avancerad dispergering av nanorör rekommenderas kontinuerlig ultraljudsbehandling. Med Hielschers flödesceller blir det möjligt att dispergera CNTs i vätskor med förhöjd viskositet, såsom polymerer, högviskösa smältor och termoplaster.

Klicka här för att läsa mer om dispergering och modifiering av nanorör med högeffektultraljud!