Phân tán ống nano carbon (CNT) bằng siêu âm

Ống nano carbon có độ bền cao và tính linh hoạt nhưng có lực kết dính rất mạnh. Chúng khó phân tán vào các chất lỏng như nước, ethanol, dầu, polyme hoặc nhựa epoxy. Siêu âm là một phương pháp hiệu quả để thu được các ống nano carbon riêng rẽ – phân tán đơn lẻ.

Ống nano carbon (CNT) được sử dụng trong chất kết dính, lớp phủ và polyme, cũng như làm chất độn dẫn điện trong nhựa để tiêu tán điện tích tĩnh trong thiết bị điện và các tấm thân xe ô tô có thể sơn tĩnh điện. Việc sử dụng ống nano có thể giúp polyme tăng khả năng chịu nhiệt độ, hóa chất có tính tác động mạnh, môi trường ăn mòn, áp suất cực cao và mài mòn. Có hai loại ống nano carbon: ống nano đơn thành (SWNT) và ống nano đa thành (MWNT).

Ống nano carbon thường được cung cấp ở dạng vật liệu khô, ví dụ từ các công ty như SES Research hoặc CNT Co., Ltd. Cần có một quy trình phá kết tụ đơn giản, đáng tin cậy và có khả năng mở rộng quy mô để khai thác tối đa tiềm năng của ống nano. Đối với các chất lỏng có độ nhớt lên đến 100.000cP, siêu âm là một công nghệ rất hiệu quả để phân tán ống nano trong nước, dầu hoặc polyme ở nồng độ thấp hoặc cao. Các dòng tia chất lỏng hình thành từ hiện tượng xâm thực siêu âmvượt qua các lực liên kết giữa các ống nano và tách các ống ra khỏi nhau. Nhờ các lực cắt và vi nhiễu loạn do siêu âm tạo ra, siêu âm cũng có thể hỗ trợ việc phủ bề mặt và phản ứng hóa học của ống nano với các vật liệu khác.

Thông thường, hệ phân tán ống nano thô được trộn sơ bộ bằng máy khuấy thông thường trước, sau đó được đồng nhất trong thiết bị phản ứng siêu âm có buồng dòng chảy. Video bên dưới trình bày một thử nghiệm trong phòng thí nghiệm (xử lý siêu âm theo mẻ bằng UP400S) để phân tán ống nano carbon đa thành trong nước ở nồng độ thấp. Do bản chất hóa học của carbon, việc phân tán ống nano trong nước khá khó khăn. Như được trình bày trong video, có thể dễ dàng chứng minh rằng xử lý siêu âm có khả năng phân tán ống nano một cách hiệu quả.

Phân tán ống nano carbon bằng siêu âm: Máy siêu âm Hielscher UP400S (400W) phân tán và gỡ rối các CNT thành từng ống nano riêng lẻ một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Phân tán các SWNT riêng lẻ có chiều dài lớn

Một vấn đề lớn trong quá trình xử lý và thao tác với SWNT là đặc tính vốn không tan của các ống trong dung môi hữu cơ thông dụng và nước. Việc chức năng hóa thành bên hoặc các đầu hở của ống nano để tạo bề mặt tiếp xúc thích hợp giữa SWNT và dung môi thường chỉ dẫn đến việc tách một phần các bó SWNT dạng dây.
Do đó, SWNT thường phân tán dưới dạng bó thay vì các đối tượng riêng lẻ được tách rời hoàn toàn. Khi áp dụng các điều kiện quá khắc nghiệt trong quá trình phân tán, SWNT bị rút ngắn xuống chiều dài từ 80 đến 200nm. Mặc dù điều này hữu ích cho một số thử nghiệm nhất định, chiều dài này quá ngắn đối với phần lớn các ứng dụng thực tế, chẳng hạn như sử dụng SWNT làm chất bán dẫn hoặc vật liệu gia cường. Xử lý siêu âm nhẹ có kiểm soát (ví dụ bằng UP200Ht với đầu phát siêu âm 40mm) là một quy trình hiệu quả để tạo các hệ phân tán trong nước của SWNT dài, riêng lẻ. Các chuỗi xử lý siêu âm nhẹ giảm thiểu sự rút ngắn và cho phép bảo toàn tối đa các đặc tính cấu trúc và điện tử.

Tinh sạch SWNT bằng xử lý siêu âm có hỗ trợ polyme

Việc nghiên cứu biến đổi hóa học của SWNT ở cấp độ phân tử rất khó vì khó thu được SWNT tinh khiết. SWNT sau khi tổng hợp chứa nhiều tạp chất, chẳng hạn như các hạt kim loại và carbon vô định hình. Xử lý siêu âm SWNT trong dung dịch poly(methyl methacrylate) PMMA trong monochlorobenzene (MCB), sau đó lọc, là một cách hiệu quả để tinh sạch SWNT. Phương pháp tinh sạch có hỗ trợ polyme này cho phép loại bỏ hiệu quả các tạp chất khỏi SWNT sau khi tổng hợp. (Yudasaka et al.) Việc kiểm soát chính xác biên độ siêu âm cho phép hạn chế hư hại đối với SWNT.

Hielscher cung cấp nhiều loại thiết bị siêu âm và phụ kiện để phân tán ống nano một cách hiệu quả.

• Các thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ gọn có công suất siêu âm lên đến 400 watt để phân tán vào các thể tích nhỏ hơn, lên đến 2 lít
• UIP500hdT, UIP1000hdT và UIP1500hdT là các thiết bị xử lý siêu âm có thể xử lý thể tích lớn hơn.
• Các hệ thống siêu âm có công suất 2kW (UIP2000hdT) và 4kW (UIP4000hdT) có thể được sử dụng để phân tán ống nano carbon ở quy mô sản xuất. Các thiết bị UIP10000 (10 kilowatt) và UIP16000 (16 kilowatt) có thể được sử dụng theo cụm gồm nhiều thiết bị riêng lẻ để xử lý ống nano carbon ở quy mô lớn.”

Tài liệu tham khảo

• 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.