Karbon Nanotüplerin (CNT) Ultrasonik Dispersiyonu
Karbon nanotüpler güçlü ve esnektir, ancak birbirlerine çok sıkı tutunurlar. Su, etanol, yağ, polimer veya epoksi reçine gibi sıvılarda disperse edilmeleri zordur. Ultrason, birbirinden ayrı – tek tek disperse edilmiş – karbon nanotüpler elde etmek için etkili bir yöntemdir.
Karbon nanotüpler (CNT), yapıştırıcılarda, kaplamalarda ve polimerlerde ve ayrıca elektrikli ekipmanlarda ve elektrostatik olarak boyanabilen otomobil gövde panellerinde statik yükleri dağıtmak amacıyla plastiklerde elektriksel olarak iletken dolgu maddeleri olarak kullanılır. Nanotüpler kullanılarak polimerler sıcaklıklara, agresif kimyasallara, korozif ortamlara, aşırı basınçlara ve aşınmaya karşı daha dayanıklı hâle getirilebilir. Karbon nanotüpler iki kategoriye ayrılır: tek duvarlı nanotüpler (SWNT) ve çok duvarlı nanotüpler (MWNT).
Endüstriyel ultrasonik homojenizatör UIP1500hdT ile karbon nanotüplerin (CNT) ve diğer nanomalzemelerin dispersiyonu.
Karbon nanotüpler genellikle kuru malzeme olarak temin edilebilir; örneğin SES Research veya CNT Co., Ltd. gibi şirketlerden alınabilir. Nanotüplerin potansiyelinden en yüksek düzeyde yararlanabilmek için basit, güvenilir ve ölçeklenebilir bir deaglomerasyon işlemi gereklidir. 100.000cP’ye kadar viskoziteye sahip sıvılarda ultrason, nanotüplerin düşük veya yüksek konsantrasyonlarda su, yağ veya polimerlerde disperse edilmesi için çok etkili bir teknolojidir. Ultrasonik kavitasyon sonucunda oluşan sıvı jet akımları, nanotüpler arasındaki bağlanma kuvvetlerini aşar ve tüpleri birbirinden ayırır. Ultrasonik olarak oluşturulan kesme kuvvetleri ve mikro türbülanslar sayesinde ultrason, nanotüplerin yüzeylerinin kaplanmasına ve diğer malzemelerle kimyasal reaksiyona girmesine de yardımcı olabilir.
Genellikle, kaba bir nanotüp dispersiyonu önce standart bir karıştırıcıyla ön karıştırmaya tabi tutulur ve ardından ultrasonik akış hücresi reaktöründe homojenize edilir. Aşağıdaki video, çok duvarlı karbon nanotüplerin düşük konsantrasyonda suda disperse edildiği bir laboratuvar denemesini (kesikli sonikasyonda UP400S sonikatörü kullanılarak) göstermektedir. Karbonun kimyasal doğası nedeniyle nanotüplerin suda disperse edilmesi oldukça zordur. Videoda gösterildiği gibi, sonikasyonun nanotüpleri etkili biçimde disperse edebildiği kolaylıkla ortaya konabilir.
Prob tipi sonikasyon kullanılarak sertleştiricide disperse edilen farklı nanodolguların karşılaştırılması): (a) 0,5 wt% karbon nanolif (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxid; (c) 0,5 wt% karbon nanotüp (CNT); (d) 0,5 wt% kısmen disperse edilmiş CNT.
Çalışma ve görsel: ©Zanghellini et al., 2021
Uzun, Tek Tek Ayrılmış SWNT’lerin Dispersiyonu
SWNT’lerin işlenmesi ve manipülasyonunda önemli bir sorun, tüplerin yaygın organik çözücülerde ve suda doğaları gereği çözünmemesidir. SWNT’ler ile çözücü arasında uygun bir arayüz oluşturmak amacıyla nanotüp yan duvarının veya açık uçlarının işlevselleştirilmesi, çoğunlukla SWNT’lerin halat benzeri demetlerinin yalnızca kısmen ayrışmasına yol açar.
Sonuç olarak SWNT’ler, tamamen birbirinden ayrılmış tekil yapılar yerine genellikle demetler hâlinde disperse edilir. Dispersiyon sırasında aşırı sert koşullar uygulandığında SWNT’ler kısalarak 80 ile 200nm arasındaki uzunluklara iner. Bu uzunluk belirli testler için yararlı olsa da yarı iletken veya takviye sağlayan SWNT’ler gibi çoğu pratik uygulama için çok kısadır. Kontrollü, hafif ultrasonik işlem (örneğin 40mm sonotrotlu UP200Ht sonikatörüyle), uzun ve tek tek ayrılmış SWNT’lerin sulu dispersiyonlarını hazırlamak için etkili bir yöntemdir. Hafif sonikasyon dizileri, kısalmayı en aza indirir ve yapısal ve elektronik özelliklerin en yüksek düzeyde korunmasını sağlar.
Polimer Destekli Sonikasyon ile SWNT Saflaştırma
Saf SWNT’ler elde etmek zor olduğundan, SWNT’lerin kimyasal modifikasyonunu moleküler düzeyde incelemek zordur. Üretildikleri hâliyle SWNT’ler, metal parçacıkları ve amorf karbonlar gibi birçok safsızlık içerir. SWNT’lerin poli(metil metakrilat) PMMA’nın monoklorobenzen (MCB) çözeltisinde sonikasyona tabi tutulması ve ardından filtrasyon uygulanması, SWNT’leri saflaştırmak için etkili bir yöntemdir. Bu polimer destekli saflaştırma yöntemi, üretildikleri hâliyle SWNT’lerdeki safsızlıkların etkili biçimde uzaklaştırılmasını sağlar. (Yudasaka et al.) Sonikasyon genliğinin hassas biçimde kontrol edilmesi, SWNT’lerdeki hasarın sınırlandırılmasını sağlar.
Hielscher’in geniş ultrasonik cihaz yelpazesi ve nanotüplerin verimli biçimde disperse edilmesine yönelik aksesuarları.
- Kompakt laboratuvar cihazları en fazla 400 watt ultrason gücüne sahiptir ve 2 litreye kadar daha küçük hacimlerde dispersiyona yöneliktir
- UIP500hdT, UIP1000hdT ve UIP1500hdT daha büyük hacimleri işleyebilen ultrasonik işlemcilerdir.
- Ultrasonik sistemlerden 2kW (UIP2000hdT) ve 4kW (UIP4000hdT) gücündekiler, karbon nanotüplerin üretim ölçeğinde disperse edilmesi için kullanılabilir. UIP10000 (10 kilowatt) ve UIP16000 (16 kilowatt) karbon nanotüplerin büyük ölçekli işlenmesi için birden fazla bağımsız üniteden oluşan kümeler hâlinde kullanılabilir.”
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sorun!
Literatür
- 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.
Hielscher Ultrasonics, yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörleri laboratuvar ölçeğinden başlayarak endüstriyel ölçeğe kadar üretir.