Однорідно дисперговані ВНТ за допомогою ультразвуку
Щоб використати виняткові функціональні можливості вуглецевих нанотрубок (ВНТ), вони повинні бути однорідно дисперговані.
Ультразвукові диспергатори є найпоширенішим інструментом для розподілу ВНТ у водних та розчинних суспензіях.
Технологія ультразвукового диспергування створює достатньо високу енергію зсуву для досягнення повного розділення ВНТ без їх пошкодження.
Ультразвукове диспергування вуглецевих нанотрубок
Вуглецеві нанотрубки (ВНТ) мають дуже високе відношення довжини до ширини та характеризуються низькою густиною, а також величезною площею поверхні (кілька сотень м2/г), що надає їм унікальні властивості, такі як дуже висока міцність на розрив, жорсткість і в’язкість, а також дуже висока електропровідність і теплопровідність. Через сили Ван дер Ваальса, які притягують окремі вуглецеві нанотрубки (ВНТ) одна до одної, ВНТ зазвичай утворюють пучки або клубки. Ці міжмолекулярні сили притягання засновані на явищі укладання π-зв’язків між сусідніми нанотрубками, відомому як π-укладання. Щоб отримати повну вигоду від вуглецевих нанотрубок, ці агломерати повинні бути роз’єднані, а ВНТ повинні бути рівномірно розподілені в однорідній дисперсії. Інтенсивна ультразвукова обробка створює акустичну кавітацію в рідинах. Згенероване при цьому локальне напруження зсуву руйнує агрегати ВНТ і однорідно диспергує їх в однорідній суспензії. Технологія ультразвукового диспергування створює достатньо високу енергію зсуву для досягнення повного розділення ВНТ без їх пошкодження. Навіть для чутливих одношарових нанотрубок (SWNT) ультразвукова обробка успішно застосовується для їх індивідуального роз’єднання. Ультразвукова обробка просто забезпечує достатній рівень напруження для розділення агрегатів SWNT без значного руйнування окремих нанотрубок (Huang, Terentjev 2012).
- Індивідуально дисперговані ВНТ
- Однорідний розподіл
- Висока ефективність диспергування
- Високі навантаження ВНТ
- Відсутність деградації ВНТ
- Швидка обробка
- Точне управління процесом
UIP2000hdT – потужний 2kW ультразвуковий апарат для дисперсій ВНТ
Високоефективні ультразвукові системи для дисперсій ВНТ
Hielscher Ultrasonics постачає потужне та надійне ультразвукове обладнання для ефективного диспергування ВНТ. Незалежно від того, чи потрібно вам готувати невеликі зразки ВНТ для аналізу та R&D, чи виробляти великі промислові партії масових дисперсій, продуктовий ряд Hielscher пропонує ідеальну ультразвукову систему для ваших вимог. Від 50W ультразвукових апаратів для лабораторій до 16kW промислових ультразвукових установок для комерційного виробництва, Hielscher Ultrasonics має все необхідне.
Для виробництва високоякісних дисперсій вуглецевих нанотрубок параметри процесу повинні бути добре контрольовані. Амплітуда, температура, тиск і час утримання є найбільш критичними параметрами для рівномірного розподілу ВНТ. Ультразвукові апарати Hielscher не тільки дозволяють точно контролювати кожен параметр, усі параметри процесу автоматично записуються на інтегровану SD-карту цифрових ультразвукових систем Hielscher. Протокол кожного процесу ультразвукової обробки допомагає забезпечити відтворювані результати та стабільну якість. Через дистанційне керування браузером користувач може експлуатувати та моніторити ультразвуковий пристрій, не перебуваючи на місці розташування ультразвукової системи.
Оскільки одношарові вуглецеві нанотрубки (SWNTs) і багатошарові вуглецеві нанотрубки (MWNTs), а також вибране водне або розчинне середовище вимагають специфічних інтенсивностей обробки, ультразвукова амплітуда є ключовим фактором, коли мова йде про кінцевий продукт. Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати як дуже високі, так і дуже м’які амплітуди. Встановіть ідеальну амплітуду для вимог вашого процесу. Навіть амплітуди до 200µm можуть легко працювати безперервно в режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 при важких навантаженнях і в складних умовах.
Наші клієнти задоволені видатною надійністю та стабільністю систем Hielscher Ultrasonic. Встановлення в сферах важких умов експлуатації, складних середовищ і роботи 24/7 забезпечує ефективну та економічну обробку. Інтенсифікація ультразвукового процесу скорочує час обробки та досягає кращих результатів, тобто вищої якості, вищої продуктивності, інноваційних продуктів.
Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 0,5 до 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | більше | кластер UIP16000 |
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Ультразвукові процесори високої потужності від лабораторного до пілотного та промислового масштабу.
Література / Посилання
- 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.
Факти, які варто знати
Що таке вуглецеві нанотрубки
Вуглецеві нанотрубки (ВНТ) є частиною спеціального класу одновимірних вуглецевих матеріалів, що демонструють виняткові механічні, електричні, термічні та оптичні властивості. Вони є основним компонентом, що використовується в розробці та виробництві передових наноматеріалів, таких як наноконструкції, армовані полімери тощо, і тому використовуються в передових технологіях. ВНТ мають дуже високу міцність на розрив, перевершені властивості теплопередачі, низькощілинні зазори та оптимальну хімічну і фізичну стабільність, що робить нанотрубки перспективною добавкою для різноманітних матеріалів.
Залежно від їх структури, CNTS розрізняють на одношарові вуглецеві нанотрубки (SWNTs), двошарові вуглецеві нанотрубки (DWCNTs) і багатошарові вуглецеві нанотрубки (MWNTs).
SWNTs є порожнистими, довгими циліндричними трубками, виготовленими з вуглецевої стінки товщиною в один атом. Атомний лист вуглецю розташований у формі бджолиних стільників. Часто їх концептуально порівнюють із скрученими листами одношарового графіту або графену.
DWCNTs складаються з двох одношарових нанотрубок, одна з яких вкладена в іншу.
MWNTs є формою ВНТ, де кілька одношарових вуглецевих нанотрубок вкладені одна в одну. Оскільки їхній діаметр коливається між 3–30 nm і вони можуть виростати на кілька см завдовжки, їхнє відношення довжини до ширини може варіюватися від 10 до десяти мільйонів. Порівняно з вуглецевими нановолокнами, MWNTs мають іншу структуру стінки, менший зовнішній діаметр і порожнистий внутрішній простір. Загальноприйнятими промислово доступними типами MWNTs є, наприклад, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 і FutureCarbon CNT-MW.
Синтез ВНТ: ВНТ можуть бути вироблені методом синтезу на основі плазми або методом випаровування дугового розряду, методом лазерної абляції, термічним процесом синтезу, хімічним осадженням з парової фази (CVD) або плазмохімічним осадженням з парової фази.
Функціоналізація ВНТ: Щоб покращити характеристики вуглецевих нанотрубок і зробити їх більш придатними для конкретного застосування, ВНТ часто функціоналізують, наприклад, додаючи карбоксильні (-COOH) або гідроксильні (-OH) групи.
Добавки для диспергування ВНТ
Кілька розчинників, таких як суперкислоти, іонні рідини та N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone, здатні готувати відносно висококонцентровані дисперсії ВНТ, тоді як найпоширеніші розчинники для нанотрубок, такі як N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF) і 1,2-dichrolobenzene, можуть диспергувати нанотрубки лише при дуже низьких концентраціях (наприклад, зазвичай <0,02 wt% одношарових ВНТ). Найпоширенішими диспергуючими агентами є polyvinylpyrrolidone (PVP), Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate (SDBS), Triton 100 або Sodium Dodecyl Sulfonate (SDS).
Крезол – це група промислових хімікатів, які можуть обробляти ВНТ при концентраціях до десятків відсотків за вагою, що призводить до безперервного переходу від розбавлених дисперсій, густих паст і вільно стоячих гелів до безпрецедентного стану, подібного до пластиліну, зі збільшенням навантаження ВНТ. Ці стани демонструють полімероподібні реологічні та в’язкопружні властивості, які не досягаються з іншими поширеними розчинниками, що свідчить про те, що нанотрубки дійсно дезагреговані та тонко дисперговані в крезолах. Крезол можна видалити після обробки нагріванням або промиванням, не змінюючи поверхню ВНТ. [Chiou et al. 2018]
Застосування дисперсій ВНТ
Щоб використати переваги ВНТ, вони повинні бути дисперговані в рідині, такій як полімери. Рівномірно дисперговані ВНТ використовуються для виробництва провідних пластмас, рідкокристалічних дисплеїв, органічних світлодіодів, сенсорних екранів, гнучких дисплеїв, сонячних батарей, провідних чорнил, матеріалів для контролю статичної електрики, включаючи плівки, піни, волокна та тканини, полімерних покриттів і клеїв, високопродуктивних полімерних композитів з винятковою механічною міцністю та в’язкістю, полімерних/ВНТ композитних волокон, а також легких і антистатичних матеріалів.
Які форми вуглецю існують?
Вуглець існує в кількох алотропних формах, включаючи:
- Кристалічні форми: алмаз, графіт, графен, вуглецеві нанотрубки (ВНТ), фулерени (наприклад, C₆₀).
- Аморфні форми: деревне вугілля, сажа, технічний вуглець, скловуглець, алмазоподібний вуглець (DLC), одношаровий аморфний вуглець (MAC).
- Гібридні наноструктури: нанодіаманти, вуглецеві цибулини, вуглецеві аерогелі та композити, такі як нановуглецево-металеві гібриди.
Кожна форма демонструє відмінні фізико-хімічні властивості, релевантні для застосування в матеріалознавстві, електроніці та зберіганні енергії.