Ultraljudsdispergering av kolnanorör (CNT)

Kolnanorör är starka och flexibla men har mycket stark sammanhållning. De är svåra att dispergera i vätskor som vatten, etanol, olja, polymer eller epoxiharts. Ultraljud är en effektiv metod för att erhålla separata – individuellt dispergerade – kolnanorör.

Kolnanorör (CNT) används i lim, beläggningar och polymerer samt som elektriskt ledande fyllmedel i plaster för att avleda statiska laddningar i elektrisk utrustning och i bilkarosspaneler som kan lackeras elektrostatiskt. Genom att använda nanorör kan polymerer göras mer motståndskraftiga mot temperaturer, aggressiva kemikalier, korrosiva miljöer, extrema tryck och nötning. Det finns två kategorier av kolnanorör: enkelväggiga nanorör (SWNT) och flerväggiga nanorör (MWNT).

Kolnanorör är i allmänhet tillgängliga som torrt material, t.ex. från företag som SES Research eller CNT Co., Ltd. En enkel, tillförlitlig och skalbar process för deagglomerering behövs för att utnyttja nanorörens fulla potential. För vätskor med en viskositet på upp till 100 000cP är ultraljud en mycket effektiv teknik för dispergering av nanorör i vatten, olja eller polymerer vid låga eller höga koncentrationer. De vätskestrålar som uppstår genom ultraljudskavitation, övervinner bindningskrafterna mellan nanorören och separerar rören. Tack vare de skjuvkrafter och den mikroturbulens som genereras av ultraljud kan ultraljud också underlätta ytbeläggning av nanorör och deras kemiska reaktion med andra material.

I allmänhet förblandas först en grov nanorörsdispersion med en standardomrörare och homogeniseras sedan i ultraljudsreaktorn med flödescell. Videon nedan visar ett laboratorieförsök (satsvis ultraljudsbehandling med en UP400S) där flerväggiga kolnanorör dispergeras i vatten vid låg koncentration. På grund av kolets kemiska natur är det ganska svårt att dispergera nanorör i vatten. Som visas i videon är det enkelt att demonstrera att ultraljudsbehandling kan dispergera nanorör effektivt.

Ultraljudsdispergering av kolnanorör: Ultraljudsprocessorn UP400S (400W) från Hielscher dispergerar och reder snabbt och effektivt ut sammanflätade kolnanorör (CNT) till enskilda nanorör.

Dispergering av långa individuella SWNT

Ett stort problem vid bearbetning och hantering av SWNT är rörens inneboende olöslighet i vanliga organiska lösningsmedel och vatten. Funktionalisering av nanorörens sidoväggar eller öppna ändar för att skapa en lämplig gränsyta mellan SWNT och lösningsmedlet leder oftast endast till partiell exfoliering av SWNT-knippena.
Som ett resultat dispergeras SWNT vanligtvis som buntar snarare än som fullständigt isolerade individuella objekt. När alltför hårda förhållanden används vid dispergering förkortas SWNT till längder mellan 80 och 200nm. Även om detta är användbart för vissa tester är denna längd för kort för de flesta praktiska tillämpningar, såsom halvledande eller förstärkande SWNT. Kontrollerad, skonsam ultraljudsbehandling (t.ex. med UP200Ht med 40mm sonotrod) är en effektiv metod för att framställa vattenbaserade dispersioner av långa individuella SWNT. Sekvenser av skonsam ultraljudsbehandling minimerar förkortningen och möjliggör maximalt bevarande av strukturella och elektroniska egenskaper.

Rening av SWNT genom polymerassisterad ultraljudsbehandling

Det är svårt att studera den kemiska modifieringen av SWNT på molekylär nivå eftersom det är svårt att erhålla rena SWNT. SWNT direkt efter tillväxt innehåller många föroreningar, såsom metallpartiklar och amorft kol. Ultraljudsbehandling av SWNT i en lösning av poly(metylmetakrylat), PMMA, i monoklorbensen (MCB), följd av filtrering, är ett effektivt sätt att rena SWNT. Denna polymerassisterade reningsmetod gör det möjligt att effektivt avlägsna föroreningar från SWNT direkt efter tillväxt. (Yudasaka et al.) Noggrann kontroll av ultraljudsbehandlingens amplitud gör det möjligt att begränsa skador på SWNT.

Hielschers breda utbud av ultraljudsutrustning och tillbehör för effektiv dispergering av nanorör.

• Kompakt laboratorieutrustning med upp till 400 watt ultraljudseffekt för dispergering i mindre volymer på upp till 2 liter
• UIP500hdT, UIP1000hdT och UIP1500hdT är ultraljudsprocessorer som kan bearbeta större volymer.
• Ultraljudssystem på 2kW (UIP2000hdT) och 4kW (UIP4000hdT) kan användas för dispergering av kolnanorör i produktionsskala. Både UIP10000 (10 kilowatt) och UIP16000 (16 kilowatt) kan användas i kluster av flera enskilda enheter för storskalig bearbetning av kolnanorör.”

Litteratur

• 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.