Ultraljudsdispergering av kolnanorör (CNT)

Kolnanorör är starka och flexibla men mycket sammanhållna. De är svåra att dispergera i vätskor, såsom vatten, etanol, olja, polymer eller epoxiharts. Ultraljud är en effektiv metod för att få diskreta – enkel-dispergerad – kolnanorör.

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

Kolnanorör finns i allmänhet som torrt material, t.ex. från företag som SES Forskning eller CNT Co., Ltd. En enkel, tillförlitlig och skalbar process för deagglomeration behövs för att utnyttja nanorören till sin maximala potential. För vätskor på upp till 100 000 cP är ultraljud en mycket effektiv teknik för dispergering av nanorör i vatten, olja eller polymerer vid låga eller höga koncentrationer. De flytande jetströmmar som härrör från ultraljud kavitation, övervinna bindningskrafterna mellan nanorören och separera rören. På grund av de ultraljudsgenererade skjuvkrafterna och mikroturbulensen kan ultraljud hjälpa till med ytbeläggningen och den kemiska reaktionen av nanorör med andra material också.

I allmänhet förblandas en grov nanorörsdispersion först av en standardomrörare och homogeniseras sedan i ultraljudsflödescellreaktorn. Videon nedan visar ett labbförsök (batch ultraljudsbehandling med hjälp av en UP400S) Spridning av flerväggiga kolnanorör i vatten vid låg koncentration. På grund av kolets kemiska natur är det ganska svårt att dispergera nanorör i vatten. Som visas i videon kan det lätt visas att ultraljud är kapabel att sprida nanorör effektivt.

Dispersion av enskilda SWNT av hög längd

Ett stort problem för bearbetning och manipulering av SWNT är rörens inneboende olöslighet i vanliga organiska lösningsmedel och vatten. Funktionalisering av nanorörets sidovägg eller öppna ändar för att skapa ett lämpligt gränssnitt mellan SWNT:erna och lösningsmedlet leder oftast endast till partiell exfoliering av SWNT-repen.
Som ett resultat av detta sprids SWNT:erna vanligtvis som buntar snarare än helt isolerade enskilda objekt. När för svåra förhållanden används under dispersionen förkortas SWNT:erna till längder mellan 80 och 200 nm. Även om detta är användbart för vissa tester, är denna längd för liten för de flesta praktiska tillämpningar, såsom halvledande eller förstärkande SWNT. Kontrollerad, mild ultraljudsbehandling (t.ex. genom att UP200Ht med 40 mm sonotrode) är en effektiv procedur för att framställa vattenhaltiga dispersioner av långa enskilda SWNTs. Sekvenser av mild ultraljud 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 få fram rena SWNT. Odlade SWNT innehåller många föroreningar, såsom metallpartiklar och amorfa kolatomer. Ultraljud av SWNT i en monoklorbensen (MCB) lösning av poly (metylmetakrylat) PMMA följt av filtrering är ett effektivt sätt att rena SWNT. Denna polymerassisterade reningsmetod gör det möjligt att effektivt avlägsna föroreningar från odlade SWNT:er. (Yudasaka et al.) Noggrann kontroll av ultraljudsamplituden gör det möjligt att begränsa skador på SWNTs.

Hielschers Brett utbud av ultraljudsenheter och tillbehör för effektiv dispergering av nanorör.

• Kompakta laboratorieenheter på 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 av 2 kW (UIP2000hdT) och 4 kW (UIP4000hdT) Kan användas för dispersion av kolnanorör i produktionsskala. Den 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.