Як диспергувати одностінні вуглецеві нанотрубки окремо

Одностінні вуглецеві нанотрубки (SWNTs або SWCNTs) мають унікальні властивості, проте для їх прояву нанотрубки потрібно диспергувати окремо. Щоб повною мірою використати виняткові властивості одностінних вуглецевих нанотрубок, їх необхідно розплутати якнайповніше. Як і інші наночастинки, SWNTs характеризуються дуже великими силами притягання, тому для надійної деагломерації та диспергування потрібен потужний і ефективний метод. Звичайні методи змішування не забезпечують інтенсивності, необхідної для розплутування SWNTs без їх пошкодження, тоді як здатність потужного ультразвуку розплутувати й диспергувати SWCNTs доведена. Кавітаційні зсувні сили, створювані ультразвуком, достатньо потужні для подолання сил зчеплення, а інтенсивність ультразвуку можна точно регулювати, щоб уникнути пошкодження SWCNTs.

Проблема:

Одностінні вуглецеві нанотрубки (SWCNTs) відрізняються від багатостінних вуглецевих нанотрубок (MWNTs/ MWCNTs) своїми електричними властивостями. Ширина забороненої зони SWCNTs може змінюватися від нуля до 2 eV, а їхня електропровідність має металевий або напівпровідниковий характер. Оскільки одностінні вуглецеві нанотрубки характеризуються сильною когезією, однією з основних перешкод під час обробки SWCNTs є притаманна їм нерозчинність в органічних розчинниках або воді. Для використання всього потенціалу SWCNTs потрібен простий, надійний і масштабований процес деагломерації нанотрубок. Зокрема, функціоналізація бічних стінок або відкритих кінців CNTs для створення відповідної межі поділу між SWCNTs та органічним розчинником призводить лише до часткового розшарування SWCNTs. Тому SWCNTs переважно диспергуються у вигляді пучків, а не окремих деагломерованих джгутів. Якщо умови диспергування надто жорсткі, SWCNTs вкорочуються до довжини від 80 до 200nm. Для більшості практичних застосувань, тобто для напівпровідникових або армувальних SWCNTs, така довжина надто мала.

Рішення:

Ультразвукова обробка є дуже ефективним методом диспергування та деагломерації вуглецевих нанотрубок, оскільки ультразвукові хвилі високої інтенсивності створюють кавітацію в рідинах. Звукові хвилі, що поширюються в рідкому середовищі, спричиняють чергування циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження), швидкість якого залежить від частоти. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі високої інтенсивності створюють у рідині невеликі вакуумні бульбашки або порожнини. Коли бульбашки досягають об’єму, за якого більше не можуть поглинати енергію, вони різко схлопуються під час циклу високого тиску. Це явище називається кавітацією. Під час схлопування локально досягаються дуже високі температури (прибл. 5 000K) і тиски (прибл. 2 000atm). Схлопування кавітаційної бульбашки також утворює струмені рідини зі швидкістю до 280m/s. Ці струмені рідини, що виникають унаслідок ультразвукової кавітації, долають сили зчеплення між вуглецевими нанотрубками, завдяки чому нанотрубки деагломеруються. М’яка, контрольована ультразвукова обробка є придатним методом створення стабілізованих поверхнево-активними речовинами суспензій диспергованих SWCNTs великої довжини. Для контрольованого виробництва SWCNTs ультразвукові процесори Hielscher дають змогу працювати з широким діапазоном наборів ультразвукових параметрів. Амплітуду ультразвуку, тиск і склад рідини можна змінювати відповідно до конкретного матеріалу та процесу. Це забезпечує різноманітні можливості регулювання, зокрема

• амплітуди сонотрода до 170 мікронів
• тиск рідини до 10 бар
• об’ємну витрату рідини до 15L/min (залежно від процесу)
• температуру рідини до 80 degC (інші температури за запитом)
• в’язкість матеріалу до 100 000cp

 

Крім того, ультразвукова обробка як метод очищення за допомогою полімеру дає змогу ефективно видаляти домішки з SWCNTs у стані після вирощування. Досліджувати хімічну модифікацію SWCNTs на молекулярному рівні складно, оскільки важко отримати чисті SWNTs. SWCNTs у стані після вирощування містять багато домішок, зокрема металеві частинки та аморфний вуглець. Ультразвукова обробка SWCNTs у розчині полі(метилметакрилату) PMMA в монохлорбензені (MCB) із подальшим фільтруванням є ефективним способом очищення SWCNTs. Цей метод очищення за допомогою полімеру дає змогу ефективно видаляти домішки з SWCNTs у стані після вирощування. Точне регулювання амплітуди ультразвукової обробки дає змогу уникнути пошкодження SWCNTs або обмежити його.

Ультразвукове обладнання

Hielscher пропонує високопродуктивні ультразвукові процесори для ультразвукової обробки будь-якого об’єму. Ультразвукові пристрої потужністю від 50 ват до 16 000 ват, які можна об’єднувати в кластери, дають змогу підібрати відповідне ультразвукове обладнання для кожного застосування як у лабораторії, так і в промисловості. Для складних завдань диспергування нанотрубок рекомендовано безперервну ультразвукову обробку. Використання проточних комірок Hielscher дає змогу диспергувати CNTs у рідинах підвищеної в’язкості, зокрема в полімерах, високов’язких розплавах і термопластах.

Натисніть тут, щоб дізнатися більше про диспергування та модифікацію нанотрубок потужним ультразвуком!