Jämnt dispergerade CNT med ultraljudsbehandling

För att utnyttja kolnanorörens (CNT) exceptionella funktionella egenskaper måste de vara homogent dispergerade.
Ultraljudsdispergerare är det vanligaste verktyget för att fördela CNT i vattenbaserade och lösningsmedelsbaserade suspensioner.
Ultraljudsdispergeringstekniken genererar tillräckligt hög skjuvenergi för att uppnå en fullständig separation av CNT utan att skada dem.

Ultraljudsdispergering av kolnanorör

Kolnanorör (CNT) har ett mycket högt längd–diameterförhållande och uppvisar låg densitet samt en enorm specifik yta (flera hundra m2/g), vilket ger dem unika egenskaper såsom mycket hög draghållfasthet, styvhet och seghet samt mycket hög elektrisk och termisk ledningsförmåga. På grund av van der Waals-krafter, som drar de enskilda kolnanorören (CNT) till varandra, ordnar sig CNT normalt i buntar eller nystan. Dessa intermolekylära attraktionskrafter bygger på ett staplingsfenomen mellan π-bindningar i intilliggande nanorör, känt som π-stapling. För att dra full nytta av kolnanorör måste dessa agglomerat redas ut och CNT fördelas jämnt i en homogen dispersion. Intensiv ultraljudsbehandling skapar akustisk kavitation i vätskor. Den lokala skjuvspänning som då genereras bryter upp CNT-aggregat och dispergerar dem jämnt i en homogen suspension. Ultraljudsdispergeringstekniken genererar tillräckligt hög skjuvenergi för att uppnå en fullständig separation av CNT utan att skada dem. Även för de känsliga SWNT används ultraljudsbehandling framgångsrikt för att separera dem till enskilda rör. Ultraljudsbehandlingen ger precis tillräckligt hög spänningsnivå för att separera SWNT-aggregaten utan att orsaka någon större sönderbrytning av enskilda nanorör (Huang, Terentjev 2012).

Fördelar med ultraljudsdispergering av CNT

Individuellt dispergerade CNT
Homogen fördelning
Hög dispergeringseffektivitet
Höga CNT-halter
Ingen nedbrytning av CNT
Snabb bearbetning
Precis processtyrning

Nanovätskor som framställs med ultraljud är effektiva kylmedier och värmeväxlarvätskor. Värmeledande nanomaterial ökar värmeöverföringen och värmeavledningsförmågan avsevärt. Ultraljudsbehandling är väletablerad för syntes och funktionalisering av värmeledande nanopartiklar samt för framställning av stabila, högpresterande nanovätskor för kyltillämpningar.

Högpresterande ultraljudssystem för CNT-dispersioner

Hielscher Ultrasonics levererar kraftfull och tillförlitlig ultraljudsutrustning för effektiv dispergering av CNT. Oavsett om du behöver bereda små CNT-prover för analys och forskning och utveckling eller tillverka stora industriella satser av dispersioner i bulk, erbjuder Hielschers produktsortiment det idealiska ultraljudssystemet för dina krav. Från ultraljudsapparater på 50W för laboratoriet upp till industriella ultraljudsenheter på 16kW för kommersiell tillverkning täcker Hielscher Ultrasonics dina behov.
För att framställa kolnanorörsdispersioner av hög kvalitet måste processparametrarna kontrolleras väl. Amplitud, temperatur, tryck och uppehållstid är de mest kritiska parametrarna för en jämn CNT-fördelning. Hielschers ultraljudsapparater möjliggör inte bara precis styrning av varje parameter, utan alla processparametrar registreras också automatiskt på det inbyggda SD-kortet i Hielschers digitala ultraljudssystem. Protokollet för varje ultraljudsbehandling bidrar till att säkerställa reproducerbara resultat och jämn kvalitet. Via fjärrstyrning i webbläsaren kan användaren styra och övervaka ultraljudsapparaten utan att befinna sig på den plats där ultraljudssystemet finns.
Eftersom enkelväggiga kolnanorör (SWNT) och flerväggiga kolnanorör (MWNT), liksom det valda vattenbaserade mediet eller lösningsmediet, kräver specifika bearbetningsintensiteter, är ultraljudsamplituden en nyckelfaktor för slutprodukten. Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera såväl mycket höga som mycket låga amplituder. Fastställ den idealiska amplituden för dina processkrav. Även amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder. Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt, alla dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer.
Våra kunder är nöjda med den enastående robustheten och tillförlitligheten hos systemen från Hielscher Ultrasonic. Installation i tillämpningar med hög belastning, krävande miljöer och drift dygnet runt, alla dagar i veckan, säkerställer effektiv och ekonomisk bearbetning. Processintensifiering med ultraljud minskar bearbetningstiden och ger bättre resultat, dvs. högre kvalitet, högre utbyten och innovativa produkter.
Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:

Satsvolym	Flödeshastighet	Rekommenderade apparater
0,5 till 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 till 500mL	10 till 200mL/min	UP100H
10 till 2000mL	20 till 400mL/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 100L/min	UIP16000
n.a.	högre	kluster av UIP16000

Kontakta oss! / Fråga oss!

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

Relaterade ämnen

Litteratur / Referenser

SOP – Ultrasonic Dispersion of Multi-Walled Carbon-Nanotubes using the UP400ST Sonicator – Hielscher Ultrasonics
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.

Värt att veta

Vad är kolnanorör

Kolnanorör (CNT) tillhör en särskild klass av endimensionella kolmaterial som uppvisar exceptionella mekaniska, elektriska, termiska och optiska egenskaper. De är en viktig komponent vid utveckling och produktion av avancerade nanomaterial såsom nanokompositer, förstärkta polymerer osv. och används därför i den senaste tekniken. CNT uppvisar mycket hög draghållfasthet, överlägsna värmeöverföringsegenskaper, små bandgap och optimal kemisk och fysikalisk stabilitet, vilket gör nanorör till en lovande tillsats för många olika material.
Beroende på sin struktur delas CNT in i enkelväggiga kolnanorör (SWNT), dubbelväggiga kolnanorör (DWCNT) och flerväggiga kolnanorör (MWNT).
SWNT är ihåliga, långa cylindriska rör med en kolvägg som är en atom tjock. Det atomära kolskiktet är ordnat i ett bikakegitter. Ofta jämförs de begreppsmässigt med hoprullade skikt av enskiktsgrafit eller grafen.
DWCNT består av två enkelväggiga nanorör, där det ena är inneslutet i det andra.
MWNT är en form av CNT där flera enkelväggiga kolnanorör är inneslutna i varandra. Eftersom deras diameter varierar mellan 3–30 nm och de kan bli flera cm långa kan deras längd–diameterförhållande variera mellan 10 och tio miljoner. Jämfört med kolnanofibrer har MWNT en annan väggstruktur, en mindre ytterdiameter och ett ihåligt inre. Vanliga industriellt tillgängliga typer av MWNT är t.ex. Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 och FutureCarbon CNT-MW.
Syntes av CNT: CNT kan framställas genom plasmabaserad syntes eller förångning med ljusbågsurladdning, laserablation, termisk syntes, kemisk ångdeponering (CVD) eller plasmaförstärkt kemisk ångdeponering.
Funktionalisering av CNT: För att förbättra kolnanorörens egenskaper och därigenom göra dem mer lämpade för en specifik tillämpning funktionaliseras CNT ofta, t.ex. genom tillsats av karboxylgrupper (-COOH) eller hydroxylgrupper (-OH).

Tillsatser för CNT-dispergering

Ett fåtal lösningsmedel, såsom supersyror, jonvätskor och N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, kan användas för att bereda CNT-dispersioner med relativt hög koncentration, medan de vanligaste lösningsmedlen för nanorör, såsom N-metyl-2-pyrrolidon (NMP), dimetylformamid (DMF) och 1,2-dichrolobenzene, endast kan dispergera nanorör vid mycket låga koncentrationer (t.ex. vanligen <0,02 viktprocent enkelväggiga CNT). De vanligaste dispergeringsmedlen är polyvinylpyrrolidon (PVP), natriumdodecylbensensulfonat (SDBS), Triton 100 eller natriumdodecylsulfonat (SDS).
Kresoler är en grupp industrikemikalier som kan användas för att bearbeta CNT vid koncentrationer på upp till tiotals viktprocent, vilket ger en kontinuerlig övergång från utspädda dispersioner, tjocka pastor och självstående geler till ett tidigare ouppnått tillstånd som liknar leklera när CNT-halten ökar. Dessa tillstånd uppvisar polymerliknande reologiska och viskoelastiska egenskaper som inte kan uppnås med andra vanliga lösningsmedel, vilket tyder på att nanorören verkligen är deaggregerade och fint dispergerade i kresoler. Kresoler kan avlägsnas efter bearbetningen genom uppvärmning eller tvättning utan att CNT-ytan förändras. [Chiou et al. 2018]

Tillämpningar för CNT-dispersioner

För att dra nytta av fördelarna med CNT måste de dispergeras i en vätska, såsom en polymer. Jämnt dispergerade CNT används vid tillverkning av ledande plaster, flytande kristallskärmar, organiska lysdioder, pekskärmar, flexibla skärmar, solceller, ledande bläck, material för kontroll av statisk elektricitet, däribland filmer, skum, fibrer och textilier, polymerbeläggningar och lim, högpresterande polymerkompositer med exceptionell mekanisk hållfasthet och seghet, polymer/CNT-kompositfibrer samt lätta och antistatiska material.

Vilka former av kol finns det?
Kol förekommer i flera allotropa former, däribland:

Kristallina former: diamant, grafit, grafen, kolnanorör (CNT), fullerener (t.ex. C₆₀).
Amorfa former: träkol, sot, kimrök, glasartat kol, diamantliknande kol (DLC), amorft kol i ett enda skikt (MAC).
Hybrida nanostrukturer: nanodiamanter, kollökar, kolaerogeler och kompositer som nanokol–metallhybrider.

Varje form uppvisar särskilda fysikalisk-kemiska egenskaper som är relevanta för tillämpningar inom materialvetenskap, elektronik och energilagring.