Jämnt dispergerade CNT genom ultraljud
För att utnyttja de exceptionella egenskaperna hos kolnanorör (CNT) måste de vara homogent dispergerade.
Ultraljudsdispergeringsmedel är det vanligaste verktyget för att distribuera CNT i vattenhaltiga och lösningsmedelsbaserade suspensioner.
Ultraljudsdispergeringstekniken skapar tillräckligt hög skjuvenergi för att uppnå en fullständig separation av CNT:er utan att skada dem.
Ultraljudsdispersion av kolnanorör
Kolnanorör (CNT) har ett mycket högt bildförhållande och uppvisar en låg densitet samt en enorm yta (flera hundra m2/g), vilket ger dem unika egenskaper som mycket hög draghållfasthet, styvhet och seghet och en mycket hög elektrisk och termisk ledningsförmåga. På grund av Van der Waals-krafter, som attraherar de enskilda kolnanorören (CNT) till varandra, ordnar sig CNT normalt i buntar eller härvor. Dessa intermolekylära attraktionskrafter är baserade på ett π-bindningsstaplingsfenomen mellan intilliggande nanorör som kallas π-stapling. För att dra full nytta av kolnanorör måste dessa agglomerat lösgöras och CNT måste fördelas jämnt i en homogen dispersion. Intensiv ultraljud skapar akustisk kavitation i vätskor. Den därigenom genererade lokala skjuvspänningen bryter CNT-aggregat och sprider dem jämnt i en homogen suspension. Ultraljudsdispergeringstekniken skapar tillräckligt hög skjuvenergi för att uppnå en fullständig separation av CNT:er utan att skada dem. Även för de känsliga SWNTs ultraljudsbehandling tillämpas framgångsrikt för att reda ut dem individuellt. Ultraljud ger bara en tillräcklig stressnivå för att separera SWNT aggregat utan att orsaka mycket fraktur på enskilda nanorör (Huang, Terentjev 2012).
- Enkeldispergerade CNT:er
- Homogen fördelning
- Hög dispersionseffektivitet
- Höga CNT-belastningar
- Ingen CNT-nedbrytning
- Snabb bearbetning
- Exakt processtyrning
Högpresterande ultraljudssystem för CNT-dispersioner
Hielscher Ultrasonics levererar kraftfull och pålitlig ultraljudsutrustning för effektiv spridning av CNT. Oavsett om du behöver förbereda små CNT-prover för analys och R&D eller om du måste tillverka stora industriella partier av bulkdispersioner, erbjuder Hielschers produktsortiment det perfekta ultraljudssystemet för dina behov. Från 50W ultraljud för labb upp till 16 kW industriella ultraljudsenheter för kommersiell tillverkning, Hielscher Ultrasonics har dig täckt.
För att producera högkvalitativa kolnanorörsdispersioner måste processparametrarna vara väl kontrollerade. Amplitud, temperatur, tryck och retentionstid är de mest kritiska parametrarna för en jämn CNT-fördelning. Hielschers ultraljudsapparater möjliggör inte bara exakt kontroll av varje parameter, alla processparametrar registreras automatiskt på det integrerade SD-kortet i Hielschers digitala ultraljudssystem. Protokollet för varje ultraljudsbehandling hjälper till att säkerställa reproducerbara resultat och konsekvent kvalitet. Via fjärrkontrollen kan användaren styra och övervaka ultraljudsenheten utan att vara på platsen för ultraljudssystemet.
Eftersom enkelväggiga kolnanorör (SWNT) och flerväggiga kolnanorör (MWNT) samt det valda vatten- eller lösningsmedelsmediet kräver specifika bearbetningsintensiteter, är ultraljudsamplituden en nyckelfaktor när det gäller slutprodukten. Hielscher Ultraljud’ Industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga såväl som mycket milda amplituder. Fastställ den perfekta amplituden för dina processkrav. Även amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7-drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer.
Våra kunder är nöjda med den enastående robustheten och tillförlitligheten hos Hielscher Ultrasonics system. Installationen i områden med tunga applikationer, krävande miljöer och 24/7-drift säkerställer effektiv och ekonomisk bearbetning. Ultraljudsprocessintensifiering minskar bearbetningstiden och uppnår bättre resultat, dvs. högre kvalitet, högre avkastning, innovativa produkter.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:
Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
---|---|---|
0.5 till 1,5 ml | N.A. | VialTweeter |
1 till 500 ml | 10 till 200 ml/min | UP100H |
10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Litteratur / Referenser
- 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.
Fakta som är värda att veta
Kol nanorör
Kolnanorör (CNT) är en del av en speciell klass av endimensionella kolmaterial som uppvisar exceptionella mekaniska, elektriska, termiska och optiska egenskaper. De är en viktig komponent som används i utvecklingen och produktionen av avancerade nanomaterial såsom nanokompositer, förstärkta polymerer osv. och används därför i den senaste tekniken. CNT uppvisar en mycket hög draghållfasthet, överlägsna värmeöverföringsegenskaper, lågbandsgap och optimal kemisk och fysikalisk stabilitet, vilket gör nanorör till en lovande tillsats för många olika material.
Beroende på deras struktur delas CNTS in i enkelväggiga kolnanorör (SWNT), dubbelväggiga kolnanorör (DWCNT) och flerväggiga kolnanorör (MWNT).
SWNT är ihåliga, långa cylindriska rör gjorda av en atom tjock kolvägg. Atomarket av kol är anordnat i ett bikakegitter. Ofta jämförs de konceptuellt med hoprullade ark av enskikts grafit eller grafen.
DWCNT:er består av två enkelväggiga nanorör, där det ena är kapslat i det andra.
MWNT är en CNT-form, där flera enkelväggiga kolnanorör är inkapslade i varandra. Eftersom deras diameter varierar mellan 3–30 nm och eftersom de kan bli flera cm långa, kan deras bildförhållande variera mellan 10 och tio miljoner. Jämfört med kolnanofibrer har MWNT en annan väggstruktur, en mindre ytterdiameter och en ihålig insida. Vanligt förekommande industriellt tillgängliga typer av MWNT är t.ex. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 och FutureCarbon CNT-MW.
Syntes av CNT: CNT:er kan produceras med plasmabaserad syntesmetod eller förångningsmetod för bågurladdning, laserablationsmetod, termisk syntesprocess, kemisk ångavsättning (CVD) eller plasmaförstärkt kemisk ångavdunstning.
Funktionalisering av CNT: För att förbättra egenskaperna hos kolnanorör och därmed göra dem mer lämpliga för en specifik applikation funktionaliseras ofta CNT:er, t.ex. genom att tillsätta karboxylsyra (-COOH) eller hydroxyl (-OH) grupper.
CNT dispergerande tillsatser
Ett fåtal lösningsmedel såsom supersyror, joniska vätskor och N-cyklohexyl-2-pyrrolidnon kan framställa relativt högkoncentrerade dispersioner av CNT, medan de vanligaste lösningsmedlen för nanorör, såsom N-metyl-2-pyrrolidon (NMP), dimetylformamid (DMF) och 1,2-dikrolobsen, kan dispergera nanorör endast vid mycket låga koncentrationer (t.ex. typiskt <00,02 viktprocent av enkelväggiga CNT:er). De vanligaste dispergeringsmedlen är polyvinylpyrrolidon (PVP), natriumdodecylbensensulfonat (SDBS), triton 100 eller natriumdodecylsulfonat (SDS).
Kresoler är en grupp industriella kemikalier som kan bearbeta CNT i koncentrationer upp till tiotals viktprocent, vilket resulterar i en kontinuerlig övergång från utspädda dispersioner, tjocka pastor och fristående geler till ett aldrig tidigare skådat playdough-liknande tillstånd, när CNT-belastningen ökar. Dessa tillstånd uppvisar polymerliknande reologiska och viskoelastiska egenskaper, som inte kan uppnås med andra vanliga lösningsmedel, vilket tyder på att nanorören verkligen är disaggregerade och fint dispergerade i kresoler. Kresoler kan avlägsnas efter bearbetning genom uppvärmning eller tvätt, utan att ändra ytan på CNT. [Chiou et al. 2018]
Tillämpningar av CNT-dispersioner
För att kunna dra nytta av fördelarna med CNT måste de dispergeras i en vätska som en polymer, jämnt fördelade CNT:er används för tillverkning av ledande plaster, flytande kristallskärmar, organiska lysdioder, pekskärmar, flexibla displayer, solceller, ledande bläck, statiska kontrollmaterial, inklusive filmer, skum, fibrer och tyger, polymerbeläggningar och lim, högpresterande polymerkompositer med exceptionell mekanisk hållfasthet och seghet, polymer/CNT-kompositfibrer, samt lätta och antistatiska material.