วิธีกระจายท่อนาโนคาร์บอนผนังชั้นเดียวให้แยกเป็นท่อเดี่ยว

ท่อนาโนคาร์บอนผนังชั้นเดียว (SWNTs หรือ SWCNTs) มีคุณลักษณะเฉพาะตัว แต่เพื่อให้คุณลักษณะเหล่านี้แสดงออกมา ท่อแต่ละท่อต้องกระจายตัวแยกจากกัน เพื่อใช้ประโยชน์จากคุณลักษณะอันโดดเด่นของท่อนาโนคาร์บอนผนังชั้นเดียวได้อย่างเต็มที่ ต้องคลายการพันกันของท่อให้สมบูรณ์ที่สุด SWNTs มีแรงดึงดูดสูงมากเช่นเดียวกับอนุภาคนาโนชนิดอื่น จึงจำเป็นต้องใช้เทคนิคที่ทรงพลังและมีประสิทธิภาพเพื่อสลายการเกาะกลุ่มและกระจายตัวได้อย่างเชื่อถือได้ แม้เทคนิคการผสมทั่วไปจะไม่ให้ความเข้มที่จำเป็นต่อการคลายการพันกันของ SWNTs โดยไม่ทำให้ท่อเสียหาย แต่อัลตราโซนิกกำลังสูงได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถคลายการพันกันและกระจาย SWCNTs ได้ แรงเฉือนจากคาวิเทชันที่เกิดจากอัลตราโซนิกมีพลังมากพอที่จะเอาชนะแรงยึดเหนี่ยว ขณะเดียวกันก็สามารถปรับความเข้มของอัลตราซาวนด์ได้อย่างแม่นยำเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อ SWCNTs

ปัญหา:

ท่อนาโนคาร์บอนผนังชั้นเดียว (SWCNTs) แตกต่างจากท่อนาโนคาร์บอนผนังหลายชั้น (MWNTs/ MWCNTs) ในด้านสมบัติทางไฟฟ้า ช่องว่างแถบพลังงานของ SWCNTs สามารถมีค่าได้ตั้งแต่ศูนย์ถึง 2 eV และการนำไฟฟ้าของท่อแสดงพฤติกรรมแบบโลหะหรือสารกึ่งตัวนำ เนื่องจากท่อนาโนคาร์บอนผนังชั้นเดียวมีแรงยึดเหนี่ยวกันสูง อุปสรรคสำคัญประการหนึ่งในการแปรรูป SWCNTs คือท่อมีสมบัติไม่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์หรือน้ำโดยธรรมชาติ เพื่อใช้ศักยภาพของ SWCNTs ได้อย่างเต็มที่ จำเป็นต้องมีกระบวนการสลายการเกาะกลุ่มของท่อที่เรียบง่าย เชื่อถือได้ และขยายขนาดได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเติมหมู่ฟังก์ชันที่ผนังด้านข้างหรือปลายเปิดของ CNT เพื่อสร้างรอยต่อระหว่างเฟสที่เหมาะสมระหว่าง SWCNTs กับตัวทำละลายอินทรีย์ ส่งผลให้ SWCNTs แยกตัวออกได้เพียงบางส่วนเท่านั้น ดังนั้น SWCNTs จึงมักกระจายตัวเป็นมัด มากกว่าจะเป็นเส้นเดี่ยวที่สลายการเกาะกลุ่มแล้ว หากสภาวะระหว่างการกระจายตัวรุนแรงเกินไป SWCNTs จะถูกทำให้สั้นลงจนมีความยาวระหว่าง 80 ถึง 200nm สำหรับการใช้งานจริงส่วนใหญ่ เช่น การใช้ SWCNTs เป็นสารกึ่งตัวนำหรือวัสดุเสริมแรง ความยาวนี้สั้นเกินไป

วิธีแก้ปัญหา:

การใช้อัลตราโซนิกเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่งในการกระจายและสลายการเกาะกลุ่มของท่อนาโนคาร์บอน เนื่องจากคลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงก่อให้เกิดคาวิเทชันในของเหลว คลื่นเสียงที่แพร่ผ่านตัวกลางของเหลวทำให้เกิดวัฏจักรความดันสูง (การอัดตัว) และความดันต่ำ (การขยายตัว) สลับกัน โดยมีอัตราการเกิดวัฏจักรขึ้นอยู่กับความถี่ ในช่วงวัฏจักรความดันต่ำ คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงจะสร้างฟองสุญญากาศหรือช่องว่างขนาดเล็กในของเหลว เมื่อฟองมีปริมาตรถึงจุดที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีก ฟองจะยุบตัวอย่างรุนแรงในช่วงวัฏจักรความดันสูง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าคาวิเทชัน ระหว่างการยุบตัว จะเกิดอุณหภูมิสูงมาก (ประมาณ 5,000K) และความดันสูงมาก (ประมาณ 2,000atm) เฉพาะบริเวณ การยุบตัวของฟองคาวิเทชันยังทำให้เกิดลำพุ่งของของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280m/s กระแสลำพุ่งของของเหลวเหล่านี้ซึ่งเกิดจาก คาวิเทชันจากอัลตราโซนิก จะเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างท่อนาโนคาร์บอน จึงทำให้ท่อนาโนสลายการเกาะกลุ่ม การใช้อัลตราโซนิกอย่างอ่อนโยนและมีการควบคุมเป็นวิธีที่เหมาะสมสำหรับสร้างสารแขวนลอยของ SWCNTs ที่กระจายตัวและมีความยาวมาก โดยใช้สารลดแรงตึงผิวช่วยรักษาเสถียรภาพ สำหรับการผลิต SWCNTs ที่มีการควบคุม เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกของ Hielscher สามารถทำงานด้วยชุดพารามิเตอร์อัลตราโซนิกที่หลากหลาย สามารถปรับแอมพลิจูดของอัลตราโซนิก ความดันของของเหลว และองค์ประกอบของของเหลวให้เหมาะกับวัสดุและกระบวนการแต่ละชนิดได้ จึงมีทางเลือกในการปรับค่าที่หลากหลาย เช่น

• แอมพลิจูดของโซโนโทรดสูงถึง 170 ไมครอน
• ความดันของของเหลวสูงถึง 10 บาร์
• อัตราการไหลของของเหลวสูงถึง 15L/min (ขึ้นอยู่กับกระบวนการ)
• อุณหภูมิของของเหลวสูงถึง 80 degC (อุณหภูมิอื่นตามคำขอ)
• ความหนืดของวัสดุสูงถึง 100,000cp

 

นอกจากนี้ การใช้อัลตราโซนิกเป็นวิธีทำให้บริสุทธิ์โดยอาศัยพอลิเมอร์ยังช่วยกำจัดสิ่งเจือปนออกจาก SWCNTs ที่ได้จากการสังเคราะห์โดยตรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ การศึกษาการดัดแปรทางเคมีของ SWCNTs ในระดับโมเลกุลทำได้ยาก เนื่องจากการได้มาซึ่ง SWNTs บริสุทธิ์เป็นเรื่องยาก SWCNTs ที่ได้จากการสังเคราะห์โดยตรงมีสิ่งเจือปนหลายชนิด เช่น อนุภาคโลหะและคาร์บอนอสัณฐาน การใช้อัลตราโซนิกกับ SWCNTs ในสารละลาย poly(methyl methacrylate) PMMA ที่ใช้ monochlorobenzene (MCB) เป็นตัวทำละลาย แล้วตามด้วยการกรอง เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการทำให้ SWCNTs บริสุทธิ์ วิธีทำให้บริสุทธิ์โดยอาศัยพอลิเมอร์นี้ช่วยกำจัดสิ่งเจือปนออกจาก SWCNTs ที่ได้จากการสังเคราะห์โดยตรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ การควบคุมแอมพลิจูดของอัลตราโซนิกอย่างแม่นยำช่วยหลีกเลี่ยงหรือจำกัดความเสียหายต่อ SWCNTs ได้

อุปกรณ์อัลตราโซนิก

Hielscher นำเสนอ เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิก ประสิทธิภาพสูงสำหรับการใช้อัลตราโซนิกกับของเหลวทุกปริมาตร อุปกรณ์อัลตราโซนิกที่มีกำลังตั้งแต่ 50 วัตต์จนถึง 16,000 วัตต์ ซึ่งสามารถจัดติดตั้งเป็นกลุ่มได้ ช่วยให้เลือกอุปกรณ์อัลตราโซนิกที่เหมาะสมกับการใช้งานแต่ละประเภทได้ ทั้งในห้องปฏิบัติการและในภาคอุตสาหกรรม สำหรับการกระจายท่อนาโนที่ต้องการความประณีต แนะนำให้ใช้อัลตราโซนิกแบบต่อเนื่อง การใช้เซลล์การไหลของ Hielscher ทำให้สามารถกระจาย CNTs ในของเหลวที่มีความหนืดสูง เช่น พอลิเมอร์ วัสดุหลอมเหลวที่มีความหนืดสูง และเทอร์มอพลาสติกได้

คลิกที่นี่เพื่ออ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการกระจายและการดัดแปรท่อนาโนด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูง!