CNT được phân tán đồng đều bằng siêu âm

Để khai thác các chức năng vượt trội của ống nano carbon (CNT), chúng phải được phân tán đồng nhất.
Thiết bị phân tán siêu âm là công cụ phổ biến nhất để phân bố CNT trong các huyền phù nền nước và nền dung môi.
Công nghệ phân tán siêu âm tạo ra năng lượng cắt đủ cao để tách hoàn toàn các CNT mà không làm hư hại chúng.

Phân tán ống nano carbon bằng siêu âm

Ống nano carbon (CNT) có tỷ lệ chiều dài trên đường kính rất cao, khối lượng riêng thấp và diện tích bề mặt cực lớn (vài trăm m2/g), mang lại cho chúng các tính chất độc đáo như độ bền kéo, độ cứng và độ dai rất cao cùng khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt rất cao. Do lực Van der Waals hút các ống nano carbon (CNT) riêng lẻ lại với nhau, CNT thường tập hợp thành bó hoặc búi. Các lực hút liên phân tử này dựa trên hiện tượng xếp chồng liên kết π giữa các ống nano liền kề, được gọi là xếp chồng π. Để tận dụng đầy đủ lợi ích của ống nano carbon, các khối kết tụ này phải được gỡ rối và CNT phải được phân bố đồng đều trong một hệ phân tán đồng nhất. Xử lý siêu âm cường độ cao tạo ra hiện tượng xâm thực âm trong chất lỏng. Ứng suất cắt cục bộ sinh ra từ đó phá vỡ các khối kết tụ CNT và phân tán chúng đồng đều trong một huyền phù đồng nhất. Công nghệ phân tán siêu âm tạo ra năng lượng cắt đủ cao để tách hoàn toàn các CNT mà không làm hư hại chúng. Ngay cả đối với các SWNT nhạy cảm, xử lý siêu âm cũng được áp dụng thành công để gỡ rối chúng thành từng ống riêng lẻ. Xử lý siêu âm cung cấp mức ứng suất vừa đủ để tách các khối kết tụ SWNT mà không gây đứt gãy nhiều cho từng ống nano riêng lẻ (Huang, Terentjev 2012).

Ưu điểm của phân tán CNT bằng siêu âm

CNT được phân tán thành từng ống riêng lẻ
Phân bố đồng nhất
Hiệu quả phân tán cao
Hàm lượng CNT cao
Không làm suy giảm CNT
Xử lý nhanh
Kiểm soát quá trình chính xác

Chất lỏng nano được tổng hợp bằng siêu âm là chất làm mát và chất lỏng trao đổi nhiệt hiệu quả. Vật liệu nano dẫn nhiệt làm tăng đáng kể khả năng truyền nhiệt và tản nhiệt. Xử lý siêu âm đã được ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp và chức năng hóa các hạt nano dẫn nhiệt, cũng như sản xuất chất lỏng nano ổn định, hiệu năng cao cho các ứng dụng làm mát.

Hệ thống siêu âm hiệu suất cao để phân tán CNT

Hielscher Ultrasonics cung cấp thiết bị siêu âm công suất lớn và đáng tin cậy để phân tán CNT hiệu quả. Dù bạn cần chuẩn bị các mẫu CNT nhỏ để phân tích và nghiên cứu phát triển hay sản xuất các lô hệ phân tán quy mô công nghiệp với khối lượng lớn, danh mục sản phẩm của Hielscher đều có hệ thống siêu âm lý tưởng cho yêu cầu của bạn. Từ thiết bị siêu âm 50W cho phòng thí nghiệm đến thiết bị siêu âm công nghiệp 16kW cho sản xuất thương mại, Hielscher Ultrasonics đều đáp ứng nhu cầu của bạn.
Để tạo ra các hệ phân tán ống nano carbon chất lượng cao, các thông số quá trình phải được kiểm soát tốt. Biên độ, nhiệt độ, áp suất và thời gian lưu là những thông số quan trọng nhất để CNT phân bố đồng đều. Các thiết bị siêu âm của Hielscher không chỉ cho phép kiểm soát chính xác từng thông số mà còn tự động ghi lại tất cả thông số quá trình trên thẻ SD tích hợp trong các hệ thống siêu âm kỹ thuật số của Hielscher. Bản ghi của từng quá trình xử lý siêu âm giúp bảo đảm kết quả có thể tái lập và chất lượng nhất quán. Thông qua chức năng điều khiển từ xa bằng trình duyệt, người dùng có thể vận hành và giám sát thiết bị siêu âm mà không cần có mặt tại nơi đặt hệ thống siêu âm.
Vì ống nano carbon đơn vách (SWNT) và ống nano carbon đa vách (MWNT), cũng như môi trường nước hoặc dung môi được chọn, đòi hỏi cường độ xử lý riêng, biên độ siêu âm là yếu tố then chốt đối với sản phẩm cuối cùng. Các bộ xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể cung cấp cả biên độ rất cao lẫn biên độ rất thấp. Hãy xác định biên độ lý tưởng cho yêu cầu quy trình của bạn. Ngay cả ở biên độ lên đến 200µm, thiết bị vẫn có thể dễ dàng vận hành liên tục 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, có sẵn các đầu phát siêu âm được thiết kế theo yêu cầu. Độ bền chắc của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong các môi trường khắc nghiệt.
Khách hàng của chúng tôi hài lòng với độ bền chắc và độ tin cậy vượt trội của các hệ thống Hielscher Ultrasonic. Việc lắp đặt trong các lĩnh vực ứng dụng tải nặng, môi trường khắc nghiệt và vận hành 24/7 bảo đảm quá trình xử lý hiệu quả và tiết kiệm. Tăng cường quá trình bằng siêu âm giúp giảm thời gian xử lý và đạt kết quả tốt hơn, tức là chất lượng cao hơn, hiệu suất thu hồi cao hơn và các sản phẩm đổi mới.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Thể tích mẻ	Lưu lượng	Thiết bị được khuyến nghị
0,5 đến 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 đến 500mL	10 đến 200mL/min	UP100H
10 đến 2000mL	20 đến 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 đến 20L	0,2 đến 4L/min	UIP2000hdT
10 đến 100L	2 đến 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 đến 100L/min	UIP16000
n.a.	lớn hơn	cụm thiết bị UIP16000

Liên hệ với chúng tôi! / Đặt câu hỏi cho chúng tôi!

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.

Chủ đề liên quan

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

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.

Những điều cần biết

Ống nano carbon là gì

Ống nano carbon (CNT) thuộc một nhóm vật liệu carbon một chiều đặc biệt, có các tính chất cơ học, điện, nhiệt và quang học vượt trội. Chúng là thành phần chủ yếu được sử dụng trong phát triển và sản xuất các vật liệu nano tiên tiến như vật liệu composite nano, polyme gia cường, v.v. và do đó được sử dụng trong các công nghệ hiện đại nhất. CNT có độ bền kéo rất cao, đặc tính truyền nhiệt vượt trội, độ rộng vùng cấm nhỏ cùng độ ổn định hóa học và vật lý tối ưu, khiến ống nano trở thành phụ gia đầy triển vọng cho nhiều loại vật liệu.
Tùy theo cấu trúc, CNT được chia thành ống nano carbon đơn vách (SWNT), ống nano carbon hai vách (DWCNT) và ống nano carbon đa vách (MWNT).
SWNT là các ống hình trụ dài, rỗng, được tạo thành từ một vách carbon dày một nguyên tử. Lớp nguyên tử carbon được sắp xếp theo mạng tổ ong. Về mặt khái niệm, chúng thường được so sánh với các tấm graphit đơn lớp hoặc graphene được cuộn lại.
DWCNT gồm hai ống nano đơn vách, trong đó một ống nằm lồng bên trong ống còn lại.
MWNT là một dạng CNT trong đó nhiều ống nano carbon đơn vách nằm lồng bên trong nhau. Vì đường kính của chúng nằm trong khoảng 3–30 nm và chúng có thể phát triển dài đến vài cm, tỷ lệ chiều dài trên đường kính của chúng có thể dao động từ 10 đến mười triệu. So với sợi nano carbon, MWNT có cấu trúc vách khác, đường kính ngoài nhỏ hơn và phần bên trong rỗng. Các loại MWNT có sẵn trên thị trường công nghiệp thường được sử dụng gồm, ví dụ, Baytubes® C150P, Nanocyl® NC7000, Arkema Graphistrength® C100 và FutureCarbon CNT-MW.
Tổng hợp CNT: CNT có thể được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp dựa trên plasma hoặc phương pháp bay hơi bằng phóng điện hồ quang, phương pháp bóc tách bằng laser, quá trình tổng hợp nhiệt, lắng đọng hơi hóa học (CVD) hoặc lắng đọng hơi hóa học tăng cường bằng plasma.
Chức năng hóa CNT: Để cải thiện các đặc tính của ống nano carbon và qua đó làm cho chúng phù hợp hơn với một ứng dụng cụ thể, CNT thường được chức năng hóa, ví dụ bằng cách bổ sung các nhóm axit carboxylic (-COOH) hoặc hydroxyl (-OH).

Phụ gia phân tán CNT

Một số dung môi như siêu axit, chất lỏng ion và N-cyclohexyl-2-pyrrolidnone có khả năng tạo ra các hệ phân tán CNT với nồng độ tương đối cao, trong khi các dung môi phổ biến nhất cho ống nano, như N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF) và 1,2-dichrolobenzene, chỉ có thể phân tán ống nano ở nồng độ rất thấp (ví dụ, thường <0,02 wt% đối với CNT đơn vách). Các chất phân tán phổ biến nhất là polyvinylpyrrolidone (PVP), natri dodecylbenzen sulfonat (SDBS), Triton 100 hoặc natri dodecyl sulfonat (SDS).
Cresol là một nhóm hóa chất công nghiệp có thể xử lý CNT ở nồng độ lên đến hàng chục phần trăm khối lượng, tạo ra sự chuyển đổi liên tục từ hệ phân tán loãng, dạng nhão đặc và gel tự đứng sang một trạng thái giống đất nặn chưa từng có khi hàm lượng CNT tăng lên. Những trạng thái này thể hiện các tính chất lưu biến và nhớt đàn hồi giống polyme, vốn không thể đạt được với các dung môi thông dụng khác, cho thấy các ống nano thực sự được tách khỏi khối kết tụ và phân tán mịn trong cresol. Có thể loại bỏ cresol sau khi xử lý bằng cách gia nhiệt hoặc rửa mà không làm biến đổi bề mặt CNT. [Chiou et al. 2018]

Ứng dụng của hệ phân tán CNT

Để tận dụng các lợi ích của CNT, chúng phải được phân tán vào một chất lỏng như polyme. CNT được phân tán đồng đều được sử dụng để sản xuất nhựa dẫn điện, màn hình tinh thể lỏng, điốt phát quang hữu cơ, màn hình cảm ứng, màn hình dẻo, pin mặt trời, mực dẫn điện, vật liệu kiểm soát tĩnh điện bao gồm màng, xốp, sợi và vải, lớp phủ và chất kết dính polyme, vật liệu composite polyme hiệu suất cao với độ bền cơ học và độ dai vượt trội, sợi composite polyme/CNT, cũng như các vật liệu nhẹ và chống tĩnh điện.

Carbon có những dạng nào?
Carbon tồn tại ở một số dạng thù hình, bao gồm:

Dạng tinh thể: Kim cương, graphit, graphene, ống nano carbon (CNT), fulleren (ví dụ, C₆₀).
Dạng vô định hình: Than củi, muội than, than đen, carbon thủy tinh, carbon dạng kim cương (DLC), carbon vô định hình đơn lớp (MAC).
Cấu trúc nano lai: Kim cương nano, carbon dạng củ hành, aerogel carbon và các vật liệu composite như vật liệu lai nanocarbon–kim loại.

Mỗi dạng thể hiện các tính chất hóa lý riêng biệt phù hợp với các ứng dụng trong khoa học vật liệu, điện tử và lưu trữ năng lượng.