CNTs ที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอด้วยอัลตราโซนิก

เพื่อใช้ประโยชน์จากความสามารถอันโดดเด่นของท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) จำเป็นต้องทำให้ท่อนาโนเหล่านี้กระจายตัวอย่างเป็นเนื้อเดียวกัน
เครื่องกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกเป็นเครื่องมือที่ใช้กันมากที่สุดในการกระจาย CNTs ในสารแขวนลอยที่มีน้ำหรือตัวทำละลายเป็นตัวกลาง
เทคโนโลยีการกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกสร้างพลังงานเฉือนที่สูงเพียงพอให้ CNTs แยกออกจากกันอย่างสมบูรณ์โดยไม่ทำให้เสียหาย

การกระจายท่อนาโนคาร์บอนด้วยอัลตราโซนิก

ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) มีอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางสูงมาก มีความหนาแน่นต่ำ และมีพื้นที่ผิวมหาศาล (หลายร้อย m2/g) จึงมีสมบัติเฉพาะตัว เช่น ความแข็งแรงต่อแรงดึง ความแข็งตึง และความเหนียวที่สูงมาก รวมถึงการนำไฟฟ้าและการนำความร้อนที่สูงมาก เนื่องจากแรงแวนเดอร์วาลส์ซึ่งดึงดูดท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) แต่ละท่อเข้าหากัน โดยปกติ CNTs จึงรวมตัวเป็นมัดหรือกลุ่มพันกัน แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลเหล่านี้เกิดจากปรากฏการณ์การซ้อนทับของพันธะ π ระหว่างท่อนาโนที่อยู่ติดกัน ซึ่งเรียกว่า π-stacking เพื่อให้ได้รับประโยชน์จากท่อนาโนคาร์บอนอย่างเต็มที่ จำเป็นต้องคลายกลุ่มที่เกาะรวมกันเหล่านี้ออก และกระจาย CNTs อย่างสม่ำเสมอในระบบกระจายตัวที่เป็นเนื้อเดียวกัน การใช้อัลตราโซนิกความเข้มสูงทำให้เกิดคาวิเทชันทางเสียงในของเหลว ความเค้นเฉือนเฉพาะบริเวณที่เกิดขึ้นจากกระบวนการนี้ทำให้กลุ่ม CNTs แตกออกและกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในสารแขวนลอยที่เป็นเนื้อเดียวกัน เทคโนโลยีการกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกสร้างพลังงานเฉือนที่สูงเพียงพอให้ CNTs แยกออกจากกันอย่างสมบูรณ์โดยไม่ทำให้เสียหาย แม้แต่ SWNTs ที่ไวต่อความเสียหาย ก็สามารถใช้การอัลตราโซนิกเพื่อคลายให้แยกออกเป็นท่อเดี่ยวได้สำเร็จ การใช้อัลตราโซนิกให้ระดับความเค้นเพียงพอที่จะแยกกลุ่ม SWNTs ออกจากกัน โดยไม่ทำให้ท่อนาโนแต่ละท่อแตกหักมากนัก (Huang, Terentjev 2012)

ข้อดีของการกระจาย CNTs ด้วยอัลตราโซนิก

CNTs กระจายตัวเป็นท่อเดี่ยว
การกระจายตัวอย่างเป็นเนื้อเดียวกัน
ประสิทธิภาพการกระจายตัวสูง
ปริมาณ CNTs ในระบบสูง
ไม่มีการเสื่อมสภาพของ CNTs
การแปรรูปที่รวดเร็ว
การควบคุมกระบวนการอย่างแม่นยำ

ของไหลนาโนที่สังเคราะห์ด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเป็นสารหล่อเย็นและของเหลวสำหรับแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีประสิทธิภาพ วัสดุนาโนที่นำความร้อนช่วยเพิ่มความสามารถในการถ่ายเทและระบายความร้อนได้อย่างมาก การใช้คลื่นอัลตราโซนิกเป็นวิธีที่ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายในการสังเคราะห์และปรับหมู่ฟังก์ชันของอนุภาคนาโนที่นำความร้อน ตลอดจนการผลิตของไหลนาโนที่มีเสถียรภาพและสมรรถนะสูงสำหรับงานหล่อเย็น

ระบบอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการกระจาย CNTs

Hielscher Ultrasonics จัดหาอุปกรณ์อัลตราโซนิกกำลังสูงและเชื่อถือได้สำหรับการกระจาย CNTs อย่างมีประสิทธิภาพ ไม่ว่าคุณต้องการเตรียมตัวอย่าง CNTs ขนาดเล็กสำหรับการวิเคราะห์และการวิจัยและพัฒนา หรือต้องผลิตระบบกระจายตัวปริมาณมากเป็นล็อตขนาดใหญ่ในระดับอุตสาหกรรม กลุ่มผลิตภัณฑ์ของ Hielscher มีระบบอัลตราโซนิกที่เหมาะสมที่สุดกับความต้องการของคุณ ตั้งแต่ เครื่องอัลตราโซนิก 50W สำหรับห้องปฏิบัติการ ไปจนถึง เครื่องอัลตราโซนิกอุตสาหกรรม 16kW สำหรับการผลิตเชิงพาณิชย์ Hielscher Ultrasonics พร้อมตอบสนองความต้องการของคุณ
เพื่อผลิตระบบกระจายตัวของท่อนาโนคาร์บอนคุณภาพสูง ต้องควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการอย่างดี แอมพลิจูด อุณหภูมิ ความดัน และเวลาพำนักเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดสำหรับการกระจาย CNTs อย่างสม่ำเสมอ เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher ไม่เพียงช่วยให้ควบคุมแต่ละพารามิเตอร์ได้อย่างแม่นยำเท่านั้น แต่ยังบันทึกพารามิเตอร์ทั้งหมดของกระบวนการโดยอัตโนมัติลงในการ์ด SD ที่ติดตั้งอยู่ในระบบอัลตราโซนิกดิจิทัลของ Hielscher อีกด้วย บันทึกของกระบวนการอัลตราโซนิกแต่ละครั้งช่วยให้มั่นใจได้ว่าผลลัพธ์สามารถทำซ้ำได้และมีคุณภาพสม่ำเสมอ ผู้ใช้สามารถสั่งงานและตรวจสอบอุปกรณ์อัลตราโซนิกผ่านการควบคุมระยะไกลด้วยเบราว์เซอร์ โดยไม่ต้องอยู่ ณ ตำแหน่งที่ติดตั้งระบบอัลตราโซนิก
เนื่องจากท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว (SWNTs) และท่อนาโนคาร์บอนหลายผนัง (MWNTs) รวมถึงตัวกลางน้ำหรือตัวทำละลายที่เลือกใช้ ต้องการความเข้มของการแปรรูปที่เฉพาะเจาะจง แอมพลิจูดของอัลตราโซนิกจึงเป็นปัจจัยสำคัญต่อผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมของ Hielscher Ultrasonics สามารถให้แอมพลิจูดได้ทั้งระดับสูงมากและระดับต่ำมาก กำหนดแอมพลิจูดที่เหมาะสมที่สุดกับข้อกำหนดของกระบวนการของคุณ แม้แต่แอมพลิจูดสูงถึง 200µm ก็สามารถใช้งานต่อเนื่องตลอด 24/7 ได้อย่างง่ายดาย สำหรับแอมพลิจูดที่สูงกว่านี้ มีโซโนโทรดอัลตราโซนิกที่ออกแบบเฉพาะให้เลือกใช้ ความแข็งแกร่งทนทานของอุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ช่วยให้ใช้งานตลอด 24/7 ภายใต้ภาระงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดเข้มงวดได้
ลูกค้าของเราพึงพอใจกับความแข็งแกร่งทนทานและความเชื่อถือได้อันโดดเด่นของระบบ Hielscher Ultrasonic การติดตั้งเพื่อใช้งานหนัก ในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดเข้มงวด และการใช้งานตลอด 24/7 ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการแปรรูปที่มีประสิทธิภาพและคุ้มค่า การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการด้วยอัลตราโซนิกช่วยลดเวลาการแปรรูปและให้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้น กล่าวคือ คุณภาพสูงขึ้น ผลได้สูงขึ้น และผลิตภัณฑ์ที่มีนวัตกรรม
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

ปริมาตรต่อชุด	อัตราการไหล	อุปกรณ์ที่แนะนำ
0.5 ถึง 1.5mL	n.a.	VialTweeter
1 ถึง 500mL	10 ถึง 200mL/min	UP100H
10 ถึง 2000mL	20 ถึง 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0.1 ถึง 20L	0.2 ถึง 4L/min	UIP2000hdT
10 ถึง 100L	2 ถึง 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 ถึง 100L/min	UIP16000
n.a.	สูงกว่านี้	ชุดอุปกรณ์ที่ประกอบด้วย UIP16000

ติดต่อเรา! / สอบถามเรา!

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

หัวข้อที่เกี่ยวข้อง

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

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.

ข้อเท็จจริงที่ควรรู้

ท่อนาโนคาร์บอนคืออะไร

ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) เป็นส่วนหนึ่งของวัสดุคาร์บอนหนึ่งมิติกลุ่มพิเศษ ซึ่งมีสมบัติทางกล ทางไฟฟ้า ทางความร้อน และทางแสงที่โดดเด่น ท่อนาโนเหล่านี้เป็นองค์ประกอบสำคัญที่ใช้ในการพัฒนาและผลิตวัสดุนาโนขั้นสูง เช่น นาโนคอมโพสิต พอลิเมอร์เสริมแรง เป็นต้น จึงนำไปใช้ในเทคโนโลยีที่ล้ำสมัย CNTs มีความแข็งแรงต่อแรงดึงสูงมาก สมบัติการถ่ายเทความร้อนที่เหนือกว่า ช่องว่างแถบพลังงานต่ำ และเสถียรภาพทางเคมีและกายภาพที่เหมาะสมที่สุด ทำให้ท่อนาโนเป็นสารเติมแต่งที่มีศักยภาพสำหรับวัสดุหลากหลายชนิด
ตามโครงสร้าง CNTS แบ่งออกเป็นท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว (SWNTs) ท่อนาโนคาร์บอนผนังคู่ (DWCNTs) และท่อนาโนคาร์บอนหลายผนัง (MWNTs)
SWNTs เป็นท่อทรงกระบอกกลวงและยาว ประกอบด้วยผนังคาร์บอนที่มีความหนาหนึ่งอะตอม แผ่นอะตอมคาร์บอนจัดเรียงเป็นโครงผลึกรูปรังผึ้ง ในเชิงแนวคิด มักเปรียบเทียบกับแผ่นกราไฟต์ชั้นเดียวหรือกราฟีนที่ม้วนเป็นท่อ
DWCNTs ประกอบด้วยท่อนาโนผนังเดี่ยวสองท่อ โดยท่อหนึ่งซ้อนอยู่ภายในอีกท่อหนึ่ง
MWNTs เป็นรูปแบบหนึ่งของ CNTs ที่มีท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยวหลายท่อซ้อนอยู่ภายในกันและกัน เนื่องจากมีเส้นผ่านศูนย์กลางในช่วง 3–30 nm และสามารถเติบโตได้ยาวหลาย cm อัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางจึงอาจอยู่ระหว่าง 10 ถึงสิบล้าน เมื่อเทียบกับเส้นใยนาโนคาร์บอน MWNTs มีโครงสร้างผนังที่แตกต่างกัน เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกเล็กกว่า และมีภายในกลวง ตัวอย่างชนิดของ MWNTs ที่มีจำหน่ายสำหรับอุตสาหกรรมและใช้กันทั่วไป ได้แก่ Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 และ FutureCarbon CNT-MW
การสังเคราะห์ CNTs: สามารถผลิต CNTs ได้ด้วยวิธีสังเคราะห์โดยใช้พลาสมา วิธีระเหยด้วยการคายประจุอาร์ก วิธีการกำจัดเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์ กระบวนการสังเคราะห์ด้วยความร้อน การตกสะสมไอเคมี (CVD) หรือการตกสะสมไอเคมีที่เสริมด้วยพลาสมา
การเติมหมู่ฟังก์ชันให้ CNTs: เพื่อปรับปรุงลักษณะของท่อนาโนคาร์บอนและทำให้เหมาะสมยิ่งขึ้นกับการใช้งานเฉพาะด้าน จึงมักเติมหมู่ฟังก์ชันให้ CNTs เช่น เติมหมู่กรดคาร์บอกซิลิก (-COOH) หรือหมู่ไฮดรอกซิล (-OH)

สารเติมแต่งสำหรับการกระจาย CNTs

ตัวทำละลายบางชนิด เช่น กรดยิ่งยวด ของเหลวไอออนิก และ N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone สามารถใช้เตรียมระบบกระจายตัวของ CNTs ที่มีความเข้มข้นค่อนข้างสูงได้ ขณะที่ตัวทำละลายสำหรับท่อนาโนที่ใช้กันมากที่สุด เช่น N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF) และ 1,2-dichrolobenzene สามารถกระจายท่อนาโนได้เฉพาะที่ความเข้มข้นต่ำมากเท่านั้น (เช่น โดยทั่วไปมี CNTs ผนังเดี่ยว <0.02 wt%) สารช่วยกระจายตัวที่ใช้กันมากที่สุด ได้แก่ polyvinylpyrrolidone (PVP), Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate (SDBS), Triton 100 หรือ Sodium Dodecyl Sulfonate (SDS)
Cresols เป็นกลุ่มสารเคมีอุตสาหกรรมที่สามารถใช้แปรรูป CNTs ที่ความเข้มข้นสูงถึงหลายสิบเปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก เมื่อปริมาณ CNTs ในระบบเพิ่มขึ้น จะเกิดการเปลี่ยนผ่านอย่างต่อเนื่องจากระบบกระจายตัวเจือจาง เนื้อเพสต์ข้น และเจลที่คงรูปได้ด้วยตัวเอง ไปสู่สภาวะคล้ายแป้งโดว์ปั้นเล่นที่ไม่เคยมีมาก่อน สภาวะเหล่านี้แสดงสมบัติทางรีโอโลยีและความหนืดหยุ่นคล้ายพอลิเมอร์ ซึ่งไม่สามารถทำให้เกิดขึ้นได้ด้วยตัวทำละลายทั่วไปชนิดอื่น จึงบ่งชี้ว่าท่อนาโนแยกออกจากกลุ่มและกระจายตัวอย่างละเอียดใน Cresols จริง สามารถกำจัด Cresols หลังการแปรรูปได้ด้วยการให้ความร้อนหรือการล้าง โดยไม่เปลี่ยนแปลงพื้นผิวของ CNTs [Chiou et al. 2018]

การประยุกต์ใช้ระบบกระจายตัวของ CNTs

เพื่อใช้ประโยชน์จาก CNTs จำเป็นต้องกระจายท่อนาโนเหล่านี้ในของเหลว เช่น พอลิเมอร์ CNTs ที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอใช้ในการผลิตพลาสติกนำไฟฟ้า จอแสดงผลผลึกเหลว ไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ หน้าจอสัมผัส จอแสดงผลยืดหยุ่น เซลล์แสงอาทิตย์ หมึกนำไฟฟ้า วัสดุควบคุมไฟฟ้าสถิตซึ่งรวมถึงฟิล์ม โฟม เส้นใย และผ้า สารเคลือบและกาวพอลิเมอร์ พอลิเมอร์คอมโพสิตสมรรถนะสูงที่มีความแข็งแรงเชิงกลและความเหนียวโดดเด่น เส้นใยคอมโพสิตพอลิเมอร์/CNT ตลอดจนวัสดุน้ำหนักเบาและวัสดุป้องกันไฟฟ้าสถิต

คาร์บอนมีรูปแบบใดบ้าง?
คาร์บอนมีหลายอัญรูป ได้แก่:

รูปแบบผลึก: เพชร กราไฟต์ กราฟีน ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) ฟูลเลอรีน (เช่น C₆₀).
รูปแบบอสัณฐาน: ถ่านไม้ เขม่า คาร์บอนแบล็ก คาร์บอนแก้ว คาร์บอนคล้ายเพชร (DLC) คาร์บอนอสัณฐานชั้นเดียว (MAC).
โครงสร้างนาโนแบบผสม: นาโนเพชร คาร์บอนรูปหัวหอม คาร์บอนแอโรเจล และวัสดุคอมโพสิต เช่น วัสดุผสมนาโนคาร์บอนกับโลหะ

แต่ละรูปแบบมีสมบัติทางเคมีกายภาพเฉพาะตัวที่เกี่ยวข้องกับการใช้งานในด้านวัสดุศาสตร์ อิเล็กทรอนิกส์ และการกักเก็บพลังงาน