การกระจายอัลตราโซนิกของท่อนาโนคาร์บอน (CNT)

ท่อนาโนคาร์บอนมีความแข็งแรงและยืดหยุ่น แต่เหนียวแน่นมาก พวกมันยากที่จะกระจายตัวเป็นของเหลวเช่นน้ําเอทานอลน้ํามันโพลีเมอร์หรืออีพอกซีเรซิน อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการรับแบบไม่ต่อเนื่อง – กระจายเดี่ยว – ท่อนาโนคาร์บอน

ท่อนาโนคาร์บอน (CNT) ใช้ในกาว สารเคลือบ และโพลีเมอร์ และเป็นสารตัวเติมไฟฟ้าในพลาสติกเพื่อกระจายประจุไฟฟ้าสถิตในอุปกรณ์ไฟฟ้าและในแผงตัวถังรถยนต์ที่ทาสีได้ด้วยไฟฟ้าสถิต ด้วยการใช้ท่อนาโนโพลีเมอร์สามารถทนต่ออุณหภูมิสารเคมีที่รุนแรงสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนความดันสูงและรอยขีดข่วนมากขึ้น ท่อนาโนคาร์บอนมีสองประเภท: ท่อนาโนผนังเดี่ยว (SWNT) และท่อนาโนหลายผนัง (MWNT)

ท่อนาโนคาร์บอนโดยทั่วไปมีจําหน่ายเป็นวัสดุแห้ง เช่น จากบริษัทต่างๆ เช่น การวิจัย SES หรือ บริษัท ซีเอ็นที จํากัด จําเป็นต้องมีกระบวนการที่เรียบง่ายเชื่อถือได้และปรับขนาดได้สําหรับการแยกตัวเป็นก้อนเพื่อใช้ประโยชน์จากท่อนาโนให้เกิดศักยภาพสูงสุด สําหรับของเหลวที่มีน้ําหนักมากถึง 100,000cP อัลตราซาวนด์เป็นเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพมากสําหรับการกระจายตัวของท่อนาโนในน้ําน้ํามันหรือโพลีเมอร์ที่ความเข้มข้นต่ําหรือสูง กระแสเจ็ทเหลวที่เกิดจาก โพรงอากาศอัลตราโซนิกเอาชนะแรงยึดเกาะระหว่างท่อนาโนและแยกท่อ เนื่องจากแรงเฉือนที่สร้างขึ้นด้วยอัลตราโซนิกและความปั่นป่วนขนาดเล็กอัลตราซาวนด์สามารถช่วยในการเคลือบพื้นผิวและปฏิกิริยาเคมีของท่อนาโนกับวัสดุอื่น ๆ ได้เช่นกัน

โดยทั่วไปการกระจายตัวของท่อนาโนหยาบจะถูกผสมล่วงหน้าโดยเครื่องกวนมาตรฐานก่อนจากนั้นจึงทําให้เป็นเนื้อเดียวกันในเครื่องปฏิกรณ์เซลล์การไหลอัลตราโซนิก วิดีโอด้านล่างแสดงการทดลองในห้องปฏิบัติการ (การ sonication แบบแบทช์โดยใช้ ยูพี 400 เอส) กระจายท่อนาโนคาร์บอนหลายผนังในน้ําที่ความเข้มข้นต่ํา เนื่องจากลักษณะทางเคมีของคาร์บอนพฤติกรรมการกระจายตัวของท่อนาโนในน้ําจึงค่อนข้างยาก ดังที่แสดงในวิดีโอสามารถแสดงให้เห็นได้อย่างง่ายดายว่าอัลตราโซนิกสามารถกระจายท่อนาโนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การกระจายตัวของ SWNT แต่ละตัวที่มีความยาวสูง

ปัญหาสําคัญสําหรับการประมวลผลและการจัดการ SWNT คือความไม่ละลายโดยธรรมชาติของหลอดในตัวทําละลายอินทรีย์และน้ําทั่วไป การทํางานของผนังด้านข้างของท่อนาโนหรือปลายเปิดเพื่อสร้างส่วนต่อประสานที่เหมาะสมระหว่าง SWNT และตัวทําละลายส่วนใหญ่นําไปสู่การขัดผิวบางส่วนของเชือก SWNT เท่านั้น
ด้วยเหตุนี้ SWNT จึงกระจายตัวเป็นกลุ่มแทนที่จะแยกวัตถุแต่ละชิ้นออกจากกันอย่างสมบูรณ์ เมื่อใช้สภาวะที่รุนแรงเกินไปในระหว่างการกระจายตัว SWNT จะสั้นลงเหลือความยาวระหว่าง 80 ถึง 200 นาโนเมตร แม้ว่าสิ่งนี้จะมีประโยชน์สําหรับการทดสอบบางอย่าง แต่ความยาวนี้เล็กเกินไปสําหรับการใช้งานจริงส่วนใหญ่ เช่น เซมิคอนดักเตอร์หรือการเสริมแรง SWNT การรักษาด้วยอัลตราโซนิกที่ควบคุมและอ่อนโยน (เช่น โดย UP200Ht พร้อม sonotrode 40 มม) เป็นขั้นตอนที่มีประสิทธิภาพในการเตรียมการกระจายตัวในน้ําของ SWNT แต่ละตัวที่ยาวลําดับของอัลตราโซนิกเล็กน้อยช่วยลดการสั้นลงและช่วยให้สามารถรักษาคุณสมบัติโครงสร้างและอิเล็กทรอนิกส์ได้สูงสุด

การทําให้บริสุทธิ์ของ SWNT โดย Polymer-Assisted Ultrasonication

เป็นการยากที่จะศึกษาการดัดแปลงทางเคมีของ SWNT ในระดับโมเลกุล เนื่องจากเป็นการยากที่จะได้สวสนิปเตอร์บริสุทธิ์ SWNT ที่เติบโตมีสิ่งสกปรกมากมาย เช่น อนุภาคโลหะและคาร์บอนอสัณฐาน อัลตราโซนิกของ SWNT ในสารละลายโมโนคลอโรเบนซีน (MCB) ของโพลี (เมทิลเมทาคริเลต) PMMA ตามด้วยการกรองเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการทําให้ SWNT บริสุทธิ์ วิธีการทําให้บริสุทธิ์ด้วยโพลีเมอร์ช่วยนี้ช่วยให้สามารถขจัดสิ่งสกปรกออกจาก SWNT ที่เติบโตได้อย่างมีประสิทธิภาพ (Yudasaka และคณะ) การควบคุมแอมพลิจูดอัลตราโซนิกที่แม่นยําช่วยให้สามารถ จํากัด ความเสียหายต่อ SWNT ได้

ฮิลเชอร์ อุปกรณ์อัลตราโซนิกที่หลากหลาย และอุปกรณ์เสริมสําหรับการกระจายท่อนาโนอย่างมีประสิทธิภาพ

• อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการขนาดกะทัดรัด มากถึง กําลังอัลตราซาวนด์ 400 วัตต์ สําหรับการกระจายตัวในปริมาณที่เล็กลงถึง 2 ลิตร
• UIP500hdT, ยูไอพี 1000hdT และ UIP1500hdT เป็นโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกที่สามารถประมวลผลปริมาณที่มากขึ้น
• ระบบอัลตราโซนิกของ 2kW (UIP2000hdT) และ 4 กิโลวัตต์ (UIP4000hdT) สามารถใช้สําหรับการกระจายตัวของท่อนาโนคาร์บอนในระดับการผลิต พื้นที่ UIP10000 (10 กิโลวัตต์) และ UIP16000 (16 กิโลวัตต์) สามารถใช้ในกลุ่มของหลายหน่วยสําหรับการประมวลผลท่อนาโนคาร์บอนขนาดใหญ่”

วรรณกรรม

• 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.