Cách phân tán riêng lẻ các ống nano cacbon đơn vách

Các ống nano cacbon đơn vách (SWNT hoặc SWCNT) có những đặc tính độc đáo, nhưng để thể hiện các đặc tính này, chúng phải được phân tán riêng lẻ. Để tận dụng đầy đủ các đặc tính vượt trội của ống nano cacbon đơn vách, các ống phải được gỡ rối triệt để nhất có thể. Cũng như các hạt nano khác, SWNT có lực hút rất lớn, vì vậy cần một kỹ thuật mạnh mẽ và hiệu quả để phá kết tụ và phân tán một cách đáng tin cậy. Trong khi các kỹ thuật trộn thông thường không cung cấp đủ cường độ cần thiết để gỡ rối SWNT mà không làm hỏng chúng, siêu âm công suất cao đã được chứng minh có thể gỡ rối và phân tán SWCNT. Các lực cắt do xâm thực được tạo ra bằng siêu âm đủ mạnh để thắng các lực liên kết, trong khi cường độ siêu âm có thể được điều chỉnh chính xác để tránh làm hỏng SWCNT.

Vấn đề:

Ống nano cacbon đơn vách (SWCNT) khác với ống nano cacbon đa vách (MWNT/ MWCNT) về tính chất điện. Độ rộng vùng cấm của SWCNT có thể thay đổi từ không đến 2 eV và khả năng dẫn điện của chúng thể hiện tính chất kim loại hoặc bán dẫn. Do các ống nano cacbon đơn vách có tính kết dính cao, một trong những trở ngại lớn khi xử lý SWCNT là tính không tan vốn có của các ống trong dung môi hữu cơ hoặc nước. Để khai thác toàn bộ tiềm năng của SWCNT, cần một quy trình phá kết tụ các ống đơn giản, đáng tin cậy và có khả năng mở rộng quy mô. Đặc biệt, việc chức năng hóa thành bên hoặc các đầu hở của CNT để tạo bề mặt tiếp xúc phù hợp giữa SWCNT và dung môi hữu cơ chỉ giúp tách bó SWCNT một phần. Vì vậy, SWCNT chủ yếu được phân tán dưới dạng bó thay vì các sợi riêng lẻ đã được phá kết tụ. Nếu điều kiện trong quá trình phân tán quá khắc nghiệt, SWCNT sẽ bị rút ngắn xuống chiều dài từ 80 đến 200nm. Đối với phần lớn các ứng dụng thực tế, tức là sử dụng SWCNT làm chất bán dẫn hoặc vật liệu gia cường, chiều dài này là quá ngắn.

Giải pháp:

Xử lý siêu âm là phương pháp rất hiệu quả để phân tán và phá kết tụ ống nano cacbon, vì sóng siêu âm cường độ cao tạo ra hiện tượng xâm thực trong chất lỏng. Sóng âm lan truyền trong môi trường lỏng tạo ra các chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (giãn) luân phiên, với tốc độ phụ thuộc vào tần số. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bong bóng chân không nhỏ hoặc các khoang rỗng trong chất lỏng. Khi các bong bóng đạt đến thể tích mà tại đó chúng không còn có thể hấp thụ năng lượng, chúng sụp đổ dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là xâm thực. Trong quá trình sụp đổ, nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K) và áp suất rất cao (khoảng 2.000atm) xuất hiện cục bộ. Sự sụp đổ của bong bóng xâm thực cũng tạo ra các tia chất lỏng có vận tốc lên đến 280m/s. Các dòng tia chất lỏng này sinh ra từ hiện tượng xâm thực siêu âm, thắng các lực liên kết giữa các ống nano cacbon và nhờ đó phá kết tụ các ống nano. Xử lý siêu âm nhẹ nhàng, có kiểm soát là phương pháp phù hợp để tạo ra các huyền phù chứa SWCNT phân tán có chiều dài lớn, được ổn định bằng chất hoạt động bề mặt. Để sản xuất SWCNT có kiểm soát, các bộ xử lý siêu âm của Hielscher cho phép vận hành với nhiều bộ thông số siêu âm khác nhau. Biên độ siêu âm, áp suất chất lỏng và thành phần chất lỏng có thể được thay đổi cho phù hợp với vật liệu và quy trình cụ thể. Điều này mang lại nhiều khả năng điều chỉnh, chẳng hạn như

• biên độ đầu dò siêu âm lên đến 170 micromét
• áp suất chất lỏng lên đến 10 bar
• lưu lượng chất lỏng lên đến 15L/min (tùy thuộc vào quy trình)
• nhiệt độ chất lỏng lên đến 80 degC (các mức nhiệt độ khác theo yêu cầu)
• độ nhớt vật liệu lên đến 100.000cp

 

Ngoài ra, xử lý siêu âm được sử dụng như một phương pháp tinh sạch có hỗ trợ polyme cho phép loại bỏ hiệu quả các tạp chất khỏi SWCNT ở trạng thái vừa được tổng hợp. Việc nghiên cứu biến đổi hóa học của SWCNT ở cấp độ phân tử gặp khó khăn vì khó thu được SWNT tinh khiết. SWCNT vừa được tổng hợp chứa nhiều tạp chất, chẳng hạn như các hạt kim loại và cacbon vô định hình. Xử lý siêu âm SWCNT trong dung dịch poly(methyl methacrylate) PMMA trong monochlorobenzene (MCB), sau đó lọc, là một cách hiệu quả để tinh sạch SWCNT. Phương pháp tinh sạch có hỗ trợ polyme này cho phép loại bỏ hiệu quả các tạp chất khỏi SWCNT vừa được tổng hợp. Kiểm soát chính xác biên độ siêu âm giúp tránh hoặc hạn chế làm hỏng SWCNT.

Thiết bị siêu âm

Hielscher cung cấp các bộ xử lý siêu âm hiệu năng cao để xử lý siêu âm mọi thể tích. Các thiết bị siêu âm từ 50 oát đến 16.000 oát, có thể được bố trí thành cụm, cho phép tìm được thiết bị siêu âm phù hợp cho từng ứng dụng, cả trong phòng thí nghiệm lẫn trong công nghiệp. Đối với quá trình phân tán ống nano đòi hỏi kỹ thuật cao, nên sử dụng xử lý siêu âm liên tục. Sử dụng các buồng dòng chảy của Hielscher cho phép phân tán CNT vào các chất lỏng có độ nhớt cao như polyme, vật liệu nóng chảy có độ nhớt cao và nhựa nhiệt dẻo.

Nhấp vào đây để đọc thêm về quá trình phân tán và biến đổi ống nano bằng siêu âm công suất cao!