Ультразвукове диспергування вуглецевих нанотрубок (CNT)
Вуглецеві нанотрубки міцні та гнучкі, проте мають дуже високу когезію. Їх важко диспергувати в рідинах, як-от вода, етанол, олія, полімер або епоксидна смола. Ультразвук – ефективний метод отримання окремих – індивідуально диспергованих – вуглецевих нанотрубок.
Вуглецеві нанотрубки (CNT) використовують у клеях, покриттях і полімерах, а також як електропровідні наповнювачі в пластмасах для розсіювання статичних зарядів в електрообладнанні та автомобільних кузовних панелях, придатних для електростатичного фарбування. Використання нанотрубок дає змогу підвищити стійкість полімерів до температур, агресивних хімічних речовин, корозійних середовищ, екстремальних тисків і стирання. Існують дві категорії вуглецевих нанотрубок: одностінні нанотрубки (SWNT) і багатостінні нанотрубки (MWNT).
Промисловий ультразвуковий гомогенізатор UIP1500hdT для диспергування вуглецевих нанотрубок (CNT) та інших наноматеріалів.
Вуглецеві нанотрубки зазвичай доступні у вигляді сухого матеріалу, наприклад від таких компаній, як SES Research або CNT Co., Ltd. Щоб максимально використати потенціал нанотрубок, потрібен простий, надійний і масштабований процес деагломерації. Для рідин із в’язкістю до 100 000cP ультразвук є дуже ефективною технологією диспергування нанотрубок у воді, олії або полімерах за низьких чи високих концентрацій. Струмені рідини, що утворюються внаслідок ультразвукової кавітації, долають сили зчеплення між нанотрубками та відокремлюють їх одну від одної. Завдяки зсувним силам і мікротурбулентності, створюваним ультразвуком, він також може сприяти нанесенню покриттів на поверхню нанотрубок і їхнім хімічним реакціям з іншими матеріалами.
Зазвичай грубу дисперсію нанотрубок спочатку попередньо перемішують стандартною мішалкою, а потім гомогенізують в ультразвуковому реакторі з проточною коміркою. У відео нижче показано лабораторний дослід із диспергування багатостінних вуглецевих нанотрубок у воді за низької концентрації (ультразвукова обробка в періодичному режимі за допомогою UP400S). Через хімічну природу вуглецю диспергування нанотрубок у воді є досить складним. Як показано у відео, можна легко продемонструвати, що ультразвукова обробка здатна ефективно диспергувати нанотрубки.
Порівняння різних нанонаповнювачів, диспергованих у затверджувачі за допомогою ультразвукового зонда): (a) 0,5 wt% вуглецевого нановолокна (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxid; (c) 0,5 wt% вуглецевих нанотрубок (CNT); (d) 0,5 wt% частково диспергованих CNT.
Дослідження та зображення: ©Zanghellini et al., 2021
Диспергування окремих SWNT великої довжини
Основною проблемою обробки та маніпулювання SWNT є властива цим трубкам нерозчинність у поширених органічних розчинниках і воді. Функціоналізація бічної стінки або відкритих кінців нанотрубок для створення належної межі поділу між SWNT і розчинником здебільшого призводить лише до часткового розділення канатоподібних пучків SWNT.
Унаслідок цього SWNT зазвичай диспергуються у вигляді пучків, а не повністю ізольованих окремих об’єктів. За надто жорстких умов диспергування SWNT вкорочуються до довжини від 80 до 200nm. Хоча це корисно для певних випробувань, така довжина є надто малою для більшості практичних застосувань, як-от використання SWNT як напівпровідникових або армувальних матеріалів. Контрольована м’яка ультразвукова обробка (наприклад, за допомогою UP200Ht із сонотродом 40mm) є ефективним способом приготування водних дисперсій довгих окремих SWNT. Послідовні цикли м’якої ультразвукової обробки мінімізують укорочення та дають змогу максимально зберегти структурні й електронні властивості.
Очищення SWNT ультразвуковою обробкою за участю полімеру
Хімічну модифікацію SWNT на молекулярному рівні важко досліджувати, оскільки важко отримати чисті SWNT. Безпосередньо після вирощування SWNT містять багато домішок, як-от металеві частинки та аморфний вуглець. Ультразвукова обробка SWNT у розчині поліметилметакрилату PMMA в монохлорбензолі (MCB) з подальшою фільтрацією є ефективним способом очищення SWNT. Цей метод очищення за участю полімеру дає змогу ефективно видаляти домішки з SWNT безпосередньо після вирощування. (Yudasaka et al.) Точне регулювання амплітуди ультразвукової обробки дає змогу обмежити пошкодження SWNT.
Hielscher – широкий асортимент ультразвукових пристроїв та приладдя для ефективного диспергування нанотрубок.
- Компактні лабораторні пристрої з ультразвуковою потужністю до 400 ват для диспергування в невеликих об’ємах до 2 літрів
- UIP500hdT, UIP1000hdT і UIP1500hdT – ультразвукові процесори, здатні обробляти більші об’єми.
- Ультразвукові системи потужністю 2kW (UIP2000hdT) і 4kW (UIP4000hdT) можна використовувати для диспергування вуглецевих нанотрубок у виробничому масштабі. Пристрої UIP10000 (10 кіловат) і UIP16000 (16 кіловат) можна використовувати в кластерах із кількох окремих установок для великомасштабної обробки вуглецевих нанотрубок.”
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Література
- 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 виготовляє високопродуктивні ультразвукові гомогенізатори від лабораторного до промислового масштабу.