การกระจายนาโนทิวบ์คาร์บอน (CNT) ด้วยอัลตราซาวนด์

นาโนทิวบ์คาร์บอนมีความแข็งแรงและยืดหยุ่น แต่ยึดเกาะกันแน่นมาก จึงกระจายตัวในของเหลว เช่น น้ำ เอทานอล น้ำมัน พอลิเมอร์ หรืออีพอกซีเรซินได้ยาก อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการทำให้นาโนทิวบ์คาร์บอนแยกออกจากกัน – กระจายตัวเป็นท่อเดี่ยวแต่ละท่อ – ได้

นาโนทิวบ์คาร์บอน (CNT) ใช้ในกาว สารเคลือบ และพอลิเมอร์ รวมทั้งใช้เป็นสารเติมแต่งนำไฟฟ้าในพลาสติกเพื่อระบายประจุไฟฟ้าสถิตในอุปกรณ์ไฟฟ้าและแผงตัวถังรถยนต์ที่สามารถพ่นสีด้วยวิธีไฟฟ้าสถิตได้ การใช้นาโนทิวบ์สามารถทำให้พอลิเมอร์ทนต่ออุณหภูมิ สารเคมีที่มีฤทธิ์รุนแรง สภาพแวดล้อมที่กัดกร่อน ความดันสูงมาก และการสึกกร่อนจากการเสียดสีได้มากขึ้น นาโนทิวบ์คาร์บอนมีสองประเภท ได้แก่ นาโนทิวบ์ผนังชั้นเดียว (SWNT) และนาโนทิวบ์ผนังหลายชั้น (MWNT)

โดยทั่วไป นาโนทิวบ์คาร์บอนมีจำหน่ายในรูปวัสดุแห้ง เช่น จากบริษัทต่าง ๆ อาทิ SES Research หรือ CNT Co., Ltd. จำเป็นต้องมีกระบวนการสลายกลุ่มอนุภาคที่เรียบง่าย เชื่อถือได้ และขยายขนาดได้ เพื่อใช้นาโนทิวบ์ให้เกิดประโยชน์สูงสุด สำหรับของเหลวที่มีความหนืดสูงถึง 100,000cP อัลตราซาวนด์เป็นเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพมากในการกระจายนาโนทิวบ์ในน้ำ น้ำมัน หรือพอลิเมอร์ที่ความเข้มข้นต่ำหรือสูง ลำเจ็ตของเหลวที่เกิดจาก คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ จะเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างนาโนทิวบ์และแยกท่อออกจากกัน เนื่องจากแรงเฉือนและความปั่นป่วนระดับจุลภาคที่เกิดจากอัลตราซาวนด์ อัลตราซาวนด์จึงสามารถช่วยในการเคลือบพื้นผิวและการทำปฏิกิริยาเคมีของนาโนทิวบ์กับวัสดุอื่น ๆ ได้ด้วย

โดยทั่วไป จะผสมสารกระจายตัวของนาโนทิวบ์แบบหยาบเบื้องต้นด้วยเครื่องกวนมาตรฐานก่อน แล้วจึงทำให้เป็นเนื้อเดียวกันในเครื่องปฏิกรณ์เซลล์ไหลอัลตราซาวนด์ วิดีโอด้านล่างแสดงการทดลองในห้องปฏิบัติการ (การใช้อัลตราซาวนด์แบบแบตช์ด้วย UP400S) เพื่อกระจายนาโนทิวบ์คาร์บอนผนังหลายชั้นในน้ำที่ความเข้มข้นต่ำ เนื่องจากธรรมชาติทางเคมีของคาร์บอน การกระจายตัวของนาโนทิวบ์ในน้ำจึงค่อนข้างยาก ดังที่แสดงในวิดีโอ สามารถสาธิตได้อย่างง่ายดายว่าการใช้อัลตราซาวนด์สามารถกระจายนาโนทิวบ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การกระจายท่อนาโนคาร์บอนด้วยอัลตราโซนิก: เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher UP400S (400W) กระจายและคลายการพันกันของ CNTs ให้เป็นท่อนาโนเดี่ยวได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ

การกระจาย SWNTs ที่มีความยาวมากเป็นท่อเดี่ยวแต่ละท่อ

ปัญหาสำคัญในการแปรรูปและจัดการ SWNTs คือสมบัติโดยธรรมชาติของท่อที่ไม่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ทั่วไปและน้ำ การเติมหมู่ฟังก์ชันบนผนังด้านข้างหรือปลายเปิดของนาโนทิวบ์เพื่อสร้างรอยต่อที่เหมาะสมระหว่าง SWNTs กับตัวทำละลาย ส่วนใหญ่ทำให้กลุ่ม SWNT ที่รวมกันเป็นลักษณะคล้ายเชือกคลายออกได้เพียงบางส่วนเท่านั้น
ด้วยเหตุนี้ SWNTs จึงมักกระจายตัวเป็นมัด แทนที่จะแยกออกเป็นท่อเดี่ยวแต่ละท่ออย่างสมบูรณ์ หากใช้สภาวะที่รุนแรงเกินไปในระหว่างการกระจายตัว SWNTs จะสั้นลงจนมีความยาวระหว่าง 80 ถึง 200nm แม้ความยาวนี้จะมีประโยชน์สำหรับการทดสอบบางอย่าง แต่ก็สั้นเกินไปสำหรับการใช้งานจริงส่วนใหญ่ เช่น การใช้ SWNTs เป็นสารกึ่งตัวนำหรือวัสดุเสริมแรง การใช้อัลตราซาวนด์อย่างอ่อนโยนภายใต้การควบคุม (เช่น ด้วย UP200Ht พร้อมโซโนโทรดขนาด 40mm) เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเตรียมสารกระจายตัวในน้ำของ SWNTs ที่มีความยาวมากและแยกเป็นท่อเดี่ยว การใช้อัลตราซาวนด์อย่างอ่อนโยนเป็นลำดับช่วงช่วยลดการสั้นลงให้เหลือน้อยที่สุด และช่วยรักษาสมบัติด้านโครงสร้างและอิเล็กทรอนิกส์ไว้ได้สูงสุด

การทำ SWNT ให้บริสุทธิ์ด้วยอัลตราซาวนด์โดยใช้พอลิเมอร์ช่วย

การศึกษาการดัดแปรทางเคมีของ SWNTs ในระดับโมเลกุลทำได้ยาก เนื่องจากการได้มาซึ่ง SWNTs บริสุทธิ์เป็นเรื่องยาก SWNTs ที่ได้จากการสังเคราะห์โดยตรงมีสิ่งเจือปนจำนวนมาก เช่น อนุภาคโลหะและคาร์บอนอสัณฐาน การใช้อัลตราซาวนด์กับ SWNTs ในสารละลาย poly(methyl methacrylate) PMMA ที่ใช้ monochlorobenzene (MCB) เป็นตัวทำละลาย แล้วตามด้วยการกรอง เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการทำ SWNTs ให้บริสุทธิ์ วิธีทำให้บริสุทธิ์โดยใช้พอลิเมอร์ช่วยนี้สามารถกำจัดสิ่งเจือปนออกจาก SWNTs ที่ได้จากการสังเคราะห์โดยตรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ (Yudasaka et al.) การควบคุมแอมพลิจูดของอัลตราซาวนด์อย่างแม่นยำช่วยจำกัดความเสียหายต่อ SWNTs ได้

Hielscher มี อุปกรณ์อัลตราซาวนด์ให้เลือกหลากหลาย และอุปกรณ์เสริมสำหรับการกระจายนาโนทิวบ์อย่างมีประสิทธิภาพ

• อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการขนาดกะทัดรัด ที่ให้ได้สูงสุด 400 วัตต์ของกำลังอัลตราซาวนด์ สำหรับการกระจายในปริมาตรขนาดเล็กสูงสุด 2 ลิตร
• UIP500hdT, UIP1000hdT และ UIP1500hdT เป็นเครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์ที่สามารถจัดการปริมาตรที่มากขึ้นได้
• ระบบอัลตราซาวนด์กำลัง 2kW (UIP2000hdT) และ 4kW (UIP4000hdT) สามารถใช้กระจายนาโนทิวบ์คาร์บอนในระดับการผลิตได้ เครื่อง UIP10000 (10 กิโลวัตต์) และเครื่อง UIP16000 (16 กิโลวัตต์) สามารถใช้โดยจัดเครื่องหลายเครื่องรวมกันเป็นกลุ่มเพื่อแปรรูปนาโนทิวบ์คาร์บอนในระดับขนาดใหญ่ได้”

เอกสารอ้างอิง

• 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.