Einwandige Kohlenstoffnanoröhren: Leitfaden zu Eigenschaften, Dispersion und industrieller Verwendung

Wenn Sie zehn Materialingenieure nach einwandigen Kohlenstoffnanoröhren fragen, werden Sie zehn verschiedene Gründe hören, warum sie wichtig sind: eine Zugfestigkeit, die mit der von Diamant mithalten kann, eine Wärmeleitfähigkeit über Kupfer oder eine elektronische Bandstruktur, die sich einfach verschiebt, wenn man eine Graphenschicht etwas enger rollt. Die meisten Menschen sind sich einig, dass SWCNTs weitaus leichter zu bewundern als zu handhaben sind. Nachdem wir jahrelang ionische Flüssigkeiten an Labore und Fabriken geliefert haben, die mit diesen Materialien arbeiten, hören wir immer wieder dieselben drei praktischen Fragen: Was genau sind sie, warum verklumpen sie und wie bringt man sie dazu, sich in einer echten Formulierung zu verhalten? Dieser Leitfaden beantwortet diese Fragen ohne großen Hype.

Was eine einwandige Kohlenstoffnanoröhre wirklich ist

Nehmen Sie eine einatomige dicke Graphenplatte und rollen Sie sie zu einem nahtlosen Zylinder. Das ist das wesentliche Bild einer einwandigen Kohlenstoffnanoröhre: einer hohlen Röhre, deren Wand genau aus einer Schicht sp2-gebundener Kohlenstoffatome besteht, mit einem Durchmesser zwischen 0,4 und 2 Nanometern und einer Länge, die bis in den Millimeterbereich reichen kann. Das Seitenverhältnis gehört zu den höchsten hergestellten Materialien und liegt häufig über 1.000 zu 1.

Die Richtung, in der die Graphenschicht gerollt wird, ihre Chiralität, wird durch ein Paar ganzer Zahlen (n, m) beschrieben und bestimmt fast alles über das Verhalten der Röhre:

• Sessel-Nanoröhren (n = m) verhalten sich wie Metalle und leiten Elektrizität sehr gut.
• Zickzack-Nanoröhren (m = 0) sind normalerweise halbleitend.
• Chirale Nanoröhren, die größte Gruppe möglicher Strukturen, können abhängig von ihrem genauen Indizes entweder metallisch oder halbleitend sein.

In einer typischen Sonde im Rohzustand sind etwa zwei Drittel der Röhren halbleitend und ein Drittel aus Metall. Diese Mischung ist genau der Grund, warum SWCNTs in elektronischer Qualität nach wie vor so teuer sind: Die Trennung von Röhren durch Chiralität ist weitaus schwierig, als sie überhaupt herzustellen.

Eigenschaften, die SWCNTs interessant machen

Die folgende Tabelle fasst die praktischen Unterschiede zwischen einwandigen und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren zusammen. Behandeln Sie die Zahlen als Richtwerte und nicht als Spezifikationen, da die tatsächlichen Werte von der Chiralität, dem Durchmesser, der Defektdichte und der gründlichen Reinigung der Sonde abhängen.

Bei Verbundwerkstoffen und Beschichtungen liegt der Reiz in der Leitfähigkeit bei sehr geringer Beladung: Ein gut verteiltes Netzwerk von SWCNTs kann ein Polymer in Anteilen leitfähig machen, die weit unter dem liegen, was Ruß erforderlich war. Bei strukturellen Anwendungen besteht die Herausforderung darin, die Festigkeit eines einzelnen Rohrs in ein Massenmaterial zu übertragen. Dabei handelt es sich eher um ein Dispersions- und Grenzflächenproblem als um ein Syntheseproblem.

Wie einwandige Kohlenstoffnanoröhren hergestellt werden

Vier Wege dominieren in der Fachliteratur und in der Lieferkette, und jeder hinterlässt seinen eigenen Fingerabdruck auf dem endgültigen Pulver:

1. Lichtbogenentladung, bei der Kohlenstoff zwischen Graphitelektroden in einem Plasma verdampft; Es werden hochkristalline Röhren produziert, allerdings in bescheidenen Mengen.
2. Laserablation, die eine gute Qualität mit enger Durchmesserverteilung liefert, zu einem Preis, der sie auf Forschung und hochwertige Elektronik beschränkt.
3. Chemische Gasphasenabscheidung, das industrielle Arbeitstier, bei dem Eisen-, Kobalt- oder Nickelkatalysatoren in Prozessen wie HiPco und CoMoCAT zum Züchten von Rohren aus kohlenstoffhaltigem Gas verwendet werden.
4. Templat- und Epitaxiewachstum, das hauptsächlich zur Untersuchung der Chiralitätskontrolle und nicht für die Massenproduktion verwendet wird.

Bei jeder großvolumigen Route bleiben Metallkatalysatorreste zurück, daher sind Reinigungsschritte wie Säurerückfluss, Oxidation und Zentrifugation Teil der Produktspezifikation und kein nachträglicher Gedanke. Dieselben Schritte führen zu Mängeln, weshalb Käufer neben der Reinheitszahl immer auch nach der Reinigungsmethode fragen sollten.

Das Dispersionsproblem und wo ionische Flüssigkeiten passen

Unberührte SWCNTs sind in Wasser und den meisten organischen Lösungsmitteln unlöslich. Durch die Van-der-Waals-Anziehung werden sie zu Seilen und Bündeln zusammengezogen, und wenn sie einmal gebündelt sind, ist es äußerst schwierig, sie wieder zu trennen, ohne dass die Röhren zerbrechen und die Eigenschaften verloren gehen, für die Sie bezahlt haben.

Die traditionellen Antworten sind Tenside wie SDS und SDBS oder Verpackungspolymere. Beide funktionieren, aber beide hinterlassen eine Isolierschicht um das Rohr herum, was in leitfähigen Formulierungen unerwünscht ist. Ionische Flüssigkeiten bieten einen dritten Weg. Imidazolium-basierte Salze interagieren mit der Graphenoberfläche durch Kation-Pi-Wechselwirkungen, benetzen die Röhren und stabilisieren sie einzelne als Objekte mit weit weniger isolierenden Rückständen. Wenn die Chemie für Sie neu ist, finden Sie hier unsere Erklärung Warum ionische Flüssigkeiten als bahnbrechende Materialklasse gelten ist ein nützlicher Ausgangspunkt.

Ionische Flüssigkeit aus 1-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid, 99 % Reinheit Diese ionische Flüssigkeit aus Imidazoliumchlorid mit einer Reinheit von 99 % ist ein Kandidat für das Screening von Dispersionsformulierungen mit gemeldeten Leitfähigkeits-, Viskositäts- und thermischen Zersetzungsdaten. Produkt anzeigen →

Da ionische Flüssigkeiten gestaltbar sind, wählen Sie das Kation, das Anion und den Reinheitsgrad. Die Oberflächenchemie kann auf das Polymer, das Lösungsmittel oder den Elektrolyten abgestimmt werden, mit dem Sie arbeiten. Diese Flexibilität ist der Grund, warum sie in so vielen Dispersionsstudien vorkommen und warum wir normalerweise empfehlen, mit einem kleinen Screening-Set statt mit einem einzelnen Salz zu beginnen.

Wo einwandige Kohlenstoffnanoröhren tatsächlich verwendet werden

Das kommerzielle Interesse konzentriert sich auf eine Handvoll Bereiche, von denen einige ausgereift sind und andere noch Fuß fassen:

• Leitfähige und statisch ableitende Verbundwerkstoffe für Folien, Bänder, Verpackungen und Textilien.
• Energiespeicherung, einschließlich leitfähiger Additiv in Lithium-Ionen-Elektroden, Superkondensatoren und Festkörperelektrolytforschung.
• Elektronik und Sensorik, von transparenten leitfähigen Filmen und Transistoren bis hin zu Dehnungs- und Gassensoren.
• Strukturelle Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt, bei Sportartikeln und Reifen, bei denen Steifigkeit und Ermüdungsbeständigkeit wichtiger sind als die Kosten pro Kilogramm.
• Biomedizinische und Umweltforschung, einschließlich Biosensoren, Membranen und Studien zur Arzneimittelabgabe.

Die älteste kommerzielle Anwendung ist die statische Kontrolle, bei der eine kleine Zugabe von Nanoröhren eine viel größere Menge Ruß ersetzt. Unser Überblick über Antistatika erklärt, wie ein solches leitfähiges Netzwerk für Kunststoffe, Textilien und Elektronik konzipiert wird.

1-Ethyl-3-methylimidazolium-Tetrafluorborat Ionische Flüssigkeit bei Raumtemperatur Eine ionische Flüssigkeit bei Raumtemperatur mit einer Reinheit von 99 % unter Leitfähigkeit und Viskosität angegeben, die für Elektrolyt- und elektrochemische Bewertungen relevant sind. Produkt anzeigen →

In Batterien und Superkondensatoren werden Nanoröhren normalerweise mit einem Elektrolytsystem gepaart und nicht allein verwendet. Ionische Flüssigkeiten wie 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtetrafluorborat werden aufgrund ihres breiten elektrochemischen Fensters und ihrer vernachlässigbaren Flüchtigkeit häufig in diesen Formulierungen bewertet.

Hinweise zu Sicherheit, Handhabung und Vorschriften

Bei der Herstellung handelt es sich bei SWCNTs um ein feines, alveolengängiges Pulver, weshalb sie bei Sicherheitsbeauftragten mehr Aufmerksamkeit auf sich ziehen, als ihre Menge vermuten lässt. Die veröffentlichten Bedenken konzentrieren sich auf die Auswirkungen von eingeatmetem Staub auf die Lunge, und die praktischen Regeln in der Industrie sind konsistent:

• Behandeln Sie trockenes Pulver nur in einem Abzug oder Handschuhfach mit geeignetem Atemschutz.
• Bevorzugen Sie mitgelieferte Dispersionen, Pasten oder Masterbatches, die die Belastung durch die Luft deutlich reduzieren.
• Behandeln Sie Röhrchen, die in einer ausgehärteten Polymermatrix eingebettet sind, als risikoarm, da sie immobilisiert sind.
• Befolgen Sie die örtlichen Entsorgungs- und Meldepflichten, da die Registrierungspflichten je nach Region unterschiedlich sind und sich ständig weiterentwickeln.

Die Daten zur Ökotoxizität sind immer noch begrenzt, daher ist der vernünftige Ansatz zuerst Eindämmung und dann Optimismus.

Spezifizierung und Beschaffung von SWCNTs ohne Geldverschwendung

Zwei Pulver mit dem gleichen Reinheitsgrad können sich in Ihrem Prozess völlig unterschiedlich verhalten, daher lohnt es sich, genaue Fragen zu stellen:

• Kohlenstoffreinheit und Restgehalt an Katalysatormetall, separat angegeben.
• Durchmesserverteilung und schließlich erreichte Chiralitätsselektivität.
• Länge und Bündelungszustand: Seile wie produziert oder bereits verteilt und stabilisiert.
• Funktionalisierung, zum Beispiel Carboxyl- oder Hydroxylgruppen, und wie sie sich auf die Leitfähigkeit auswirkt.
• Lieferform, ob Trockenpulver, Lösemitteldispersion oder Masterbatch.

Wenn Sie tatsächlich das Medium und nicht die Röhrchen benötigen, können wir Kation, Anion und Reinheit an Ihren Prozess anpassen, anstatt Sie um die Anpassung an einen Katalogartikel zu bitten.

Industrielle ionische Flüssigkeiten nach Kation und funktioneller Familie Ein anpassbares Sortiment an industriellen ionischen Flüssigkeiten, geordnet nach Kation, Anion und Reinheit, nützlich bei der Auswahl eines Mediums für Dispersionen, Elektrolyte oder leitfähige Formulierungen. Produkt anzeigen →

Einwandige Kohlenstoffnanoröhren belohnen Geduld. Bei richtiger Dispersion liefern sie Leitfähigkeit, Festigkeit und thermische Leistung, die nur wenige andere Additive erreichen können. Wenn man etwas falsch macht, bleiben teure schwarze Klumpen zurück. Wir arbeiten seit 2009 mit ionischen Flüssigkeiten und haben dabei vor allem damit verbracht, Kunden dabei zu helfen, schwierige Materialien in praktikable Formulierungen umzuwandeln. Wenn Sie eine Dispersion, einen Elektrolyten oder eine leitfähige Beschichtung um SWCNTs aufbauen, vergleichen wir gerne Hinweise zur Chemie.