Як диспергувати одностінні вуглецеві нанотрубки окремо

Одностінні вуглецеві нанотрубки (SWNTs або SWCNTs) мають унікальні характеристики, але для їх вираження вони повинні бути індивідуально дисперговані. Щоб повною мірою використовувати виняткові характеристики одностінних вуглецевих нанотрубок, трубки повинні бути розплутані найбільш повністю. SWNT, як і інші наночастинки, демонструють дуже високі сили притягання, тому для надійної деагломерації та диспергування потрібна потужна та ефективна техніка. У той час як звичайні методи змішування не забезпечують інтенсивності, необхідної для розплутування SWNT без їх пошкодження, доведено, що ультразвук високої потужності розплутує та розсіює SWCNT. Кавітаційні зсувні сили, що генеруються ультразвуком, достатньо потужні, щоб подолати сили зв'язку, тоді як інтенсивність ультразвуку можна точно налаштувати, щоб уникнути пошкодження SWCNT.

Проблема:

Одностінні вуглецеві нанотрубки (SWCNTs) відрізняються від багатостінних вуглецевих нанотрубок (MWNTs/MWCNTs) своїми електричними властивостями. Ширина забороненої зони SWCNT може змінюватися від нуля до 2 еВ, а їх електропровідність має металеву або напівпровідникову поведінку. Оскільки одностінні вуглецеві нанотрубки мають високу когезивність, однією з основних перешкод при обробці SWCNT є властива нерозчинність трубок в органічних розчинниках або воді. Щоб використовувати весь потенціал SWCNT, необхідний простий, надійний і масштабований процес деагломерації трубок. Зокрема, функціоналізація бічних стінок або відкритих кінців CNT для створення відповідної поверхні між SWCNTs та органічним розчинником призводить лише до часткового відлущування SWCNT. Тому SWCNT в основному розосереджені у вигляді пучків, а не окремих деагломерованих мотузок. Якщо умови під час дисперсії занадто суворі, SWCNT будуть скорочені до довжини від 80 до 200 нм. Для більшості практичних застосувань, тобто для напівпровідникових або армуючих SWCNT, ця довжина занадто мала.

Рішення:

Ультразвук є дуже ефективним методом диспергування та деагломерації вуглецевих нанотрубок, оскільки ультразвукові хвилі ультразвуку високої інтенсивності генерують кавітацію в рідинах. Звукові хвилі, що поширюються в рідких середовищах, призводять до чергування циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження) зі швидкістю в залежності від частоти. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі високої інтенсивності створюють невеликі вакуумні бульбашки або порожнечі в рідині. Коли бульбашки досягають об'єму, при якому вони більше не можуть поглинати енергію, вони сильно руйнуються під час циклу високого тиску. Це явище називається кавітацією. Під час імплозії локально досягаються дуже високі температури (приблизно 5 000 К) і тиск (приблизно 2 000 атм). Імплозія кавітаційного міхура також призводить до утворення струменів рідини зі швидкістю до 280 м/с. Ці струменеві потоки рідини утворюються в результаті ультразвукова кавітація, подолати сили зв'язку між вуглецевими нанотрубками і, отже, нанотрубки деагломеруються. М'яке контрольоване ультразвукове лікування є відповідним методом для створення стабілізованих поверхнево-активними речовинами суспензій дисперсних SWCNTs з великою довжиною. Для контрольованого виробництва SWCNT ультразвукові процесори Hielscher дозволяють працювати з широким діапазоном наборів ультразвукових параметрів. Амплітуда ультразвуку, тиск рідини та склад рідини можуть бути змінені відповідно до конкретного матеріалу та процесу. Це відкриває варіативні можливості регулювання, такі як

• Амплітуди сонотрода до 170 мкм
• тиск рідини до 10 бар
• швидкість потоку рідини до 15 л/хв (залежно від процесу)
• температура рідини до 80 °C (інші температури за запитом)
• В'язкість матеріалу до 100.000cp

 

Крім того, ультразвук як метод очищення за допомогою полімерів дозволяє ефективно видаляти домішки з вирощених SWCNT. Вивчати хімічну модифікацію SWCNTs на молекулярному рівні складно, тому що важко отримати чисті SWNTs. Вирощені SWCNT містять багато домішок, таких як частинки металу та аморфні вуглеці. Ультразвукування SWCNTs у монохлорбензольному (MCB) розчині полі(метилметакрилату) PMMA з подальшою фільтрацією є ефективним способом очищення SWCNT. Цей метод очищення за допомогою полімерів дозволяє ефективно видаляти домішки з вирощених SWCNT. Точний контроль амплітуди ультразвуку дозволяє уникнути або обмежити пошкодження КСВНТ.

Ультразвукове обладнання

Hielscher пропонує високу продуктивність ультразвукові процесори для ультразвукового дослідження кожного обсягу. Ультразвукові пристрої потужністю від 50 Вт до 16 000 Вт, які можуть встановлюватися в кластери, дозволяють знайти відповідний ультразвук для кожного застосування, як в лабораторії, так і в промисловості. Для складної диспергації нанотрубок рекомендується безперервна ультразвукова система. Використовуючи проточні комірки Хілшера, стає можливим диспергування ВНТ у рідинах з підвищеною в'язкістю, таких як полімери, розплави з високою в'язкістю та термопласти.

Натисніть тут, щоб прочитати більше про дисперсію та модифікацію нанотрубок за допомогою ультразвуку високої потужності!