ВОЗМОЖНОСТЬ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКА

УДК 691.32-022.532

Р. ХЕЛА, Ph.D., Л. БОДНАРОВА, Ph.D., Т. ЯРОЛИМ, Ph.D.-student, М. ЛАБАЙ, Ph.D.-student

Технологический университет Брно (Чешская Республика, 60200, г. Брно, Вевери, 95)

Возможность диспергирования углеродных нанотрубок с помощью ультразвука

Описываются возможности и проблемы диспергирования наночастиц. Углеродные нанотрубки (УНТ) все шире используются во многих отраслях, например в медицине, фармации, электронике, а также в строительстве. Благодаря наночастицам появляется возможность улучшать свойства таких материалов, как покрытия, бетон и др. УНТ образуют скопления, которые весьма тяжело подвергаются диспергированию. В научной литературе описывается несколько способов диспергирования наночастиц. Сюда относится использование интенсивного механического помола (размельчения), ультразвука, использование поверхностно-активных веществ, гидродинамическая кавитация или комбинация приведенных методов. Дается описание контроля меры диспергирования УНТ с помощью UV/Vis спектрометра при их обработке ультразвуком. Вышеназванным способом определялись оптимальные параметры диспергирования. Полученные данные были использованы для подготовки водной суспензии УНТ и поверхностно-активных веществ, которые использовались для приготовления испытуемых образцов из цементных растворов. Проводились испытания для определения физико-механических параметров цементных растворов, содержащих УНТ.

Для цитирования: Хела Р., Боднарова Л., Яролим Т., Лабай М. Возможность диспергирования углеродных нанотрубок с помощью ультразвука // Строительные материалы. 2017. № 1-2. С. 4-9.

R. HELA, Ph.D., L. BODNAROVA, Ph.D., T. JAROLIM, Ph.D.-student, M. LABAJ, Ph.D.-student Brno University of Technology (Faculty of Civil Engineering) (95, Veveri, Brno, 60200, Czech Republic)

Carbon Nanotubes Dispersion, Concentration, and Amount of Ultrasound Energy Required

This article describes the possibilities and difficulties of carbon nanotube dispersion. Carbon nanotubes (CNT) have become a widely used material in medicine, pharmaceuticals, electronics, and also in the construction industry. Thanks to using nanoparticles, we are able to improve the properties of ordinary materials such as coatings and concrete. CNT forms bundles which are not easy to disperse. The literature describes several ways to disperse CNT, for example, through intense mechanical grinding (ball mill), ultrasound (US energy), use of surfactants, hydro cavitation, or a combination of the above mentioned methods. This article describes the control of dispersion by ultrasound, with observation of the dispersion level through UV/Vis spectroscopy. Thus we established the optimal parameters of the dispersion. The data was then used to prepare the suspension water, CNT, and surfactants, which were then used for the preparation of cement mortars for the test specimens. The specimens were observed for their physical mechanical characteristics.

For citation: Hela R., Bodnarova L., Jarolim T., Labaj M. Carbon nanotubes dispersion, concentration, and amount of ultrasound energy required. Stroitel&nye Materialy [Construction materials]. 2017. No. 1-2, pp. 4-9. (In Russian).

В настоящее время мировой рынок не предлагает большого количества новых материалов, которые можно было бы вводить в цементные композиты (бетоны) для повышения их прочностных характеристик, долговечности и уменьшения выбросов углекислого газа. В связи с технологическим прогрессом в широкой области научных дисциплин (химия, физика, ИТ, оптика и др.) появляется возможность изготовлять наночасти-цы подходом «снизу-вверх» (bottom up). Подход «снизу-вверх» при изготовлении наночастиц является, без сомнения, революционным в области инженерии материалов благодаря возможности получения конечного продукта, точно соответствующего определенным параметрам. Нанотехнология является одной из наиболее развиваемых отраслей за последние два десятилетия, касающейся практически всех областей науки [1—4]. Углеродные наночастицы имеют привилегированное положение в области нанотехнологий благодаря своим уникальным характеристикам. Поэтому исследование их влияния на строительные материалы было вызовом для инженеров-материаловедов. И именно бетон, как наиболее используемый строительный материал, представляет интерес для исследования влияния наноча-стиц [5—8]. Одновременно при более подробном исследовании углеродных нанотрубок возникли вопросы, которые необходимо решить еще до их использования, — диспергирование наночастиц, стабильность суспензии УНТ и нанотоксичность [9—10].

At present, there are not that many new materials on the global market available as components for cement composites (concrete) which would increase their strength properties, durability, and decrease their carbon footprint. Thanks to the technological progress in a wide spectrum of scientific disciplines (chemistry, physics, IT, optics, and others) today it is possible to create nanoparticles through a bottom-up approach. The bottom-up approach to the production of nanoparticles is without doubt a breakthrough in material engineering and it is thanks to this possibility we can accurately define the parameters of the final product. Nanotechnology is one of the most widely expanding areas of study of the last two decades and it is spreading through all the science disciplines [1—4]. Carbon nanoparticles have a privileged position in the field of nanotechnology thanks to their unique characteristics. Hence, the testing of their influence on building materials has been a challenge that material engineering (and material engineers) could not refuse. And where else to start with the implementation of nanoparticles into the building materials then but with the most often used building material — concrete [5—8]. With a detailed examination of carbon nanotubes, new questions have arisen and they need to be resolved before they come into general use such as the dispersion of the nanoparticles, CNT suspension stability, and nanotoxici-ty [9-10].

Carbon Nanotubes (CNT) are formed by graphene sheets bundled in cylindrical rolls at a length of 1 to

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой графеновые слои, свернутые в цилиндр, длиной от 1 до 100 мкм. Образование углеродных на-нотрубок было впервые установлено японским ученым Sumio Iijimou в 1991 г. [11]. УНТ изготавливаются с помощью электрической дуги, лазерной абляцией и химическим пиролизом углеродов в контакте с металлическим катализатором, которые в настоящее время чаще всего используются. УНТ обладают исключительными физико-механическими свойствами [12, 13]. В зависимости от количества графено-вых слоев различают однослойные (ОУНТ) и многослойные (МУНТ) углеродные нанотрубки. ОУНТ имеют внешний диаметр 5—12 нм, а их оболочка представляет собой один слой графе-нового «листа». МУНТ имеют обычно больше слоев графеновых «листов», внутренний диаметр 5—15 нм, внешний до 100 нм. УНТ благодаря своим размерам подвергаются влиянию сил Ван-дер-Ваальса, что приводит к образованию скоплений, которые весьма сложно разъединить. Если для диспергирования скоплений нанотрубок использовать энергию ультразвука, может произойти повреждение их стенок и, таким образом, уменьшение ожидаемого положительного действия от введения наночастиц в цементный композит. Другие физико-механические свойства нанотрубок: модуль упругости до 1 ТПа; прочность при растяжении 11—63 ГПа; средняя плотность 1300 кг/м3; удельная поверхность 70-400 м2/г [14, 15].

Диспергирование УНТ. К наиболее часто используемым методам диспергирования наночастиц относятся: ультразвуковые (ультразвуковой кавитатор, ультразвуковая ванна); механическое измельчение; гидрокавитация при совместном использовании суперпластифици-рующих добавок или поверхносто-активных веществ. В научной литературе приведены примеры использования комбинаций вышеназванных методов. Поверхностно-активные вещества используются в качестве профилактики слипания диспергированных наноча-стиц, а также способствуют диспергированию УНТ в случае использования ультразвука или механического измельчения [16-18]. В случае использования поверхностно-активных веществ необходимо соблюдать следующее условие: их химический состав не должен влиять на схватывание и твердение цементного композита.

Таблица 1 Table 1

Рис. 1. Ультразвуковой кавитатор

Bandelin Sonopuls HD 3200

Fig. 1. Bandelin Sonopuls HD 3200

Параметр Parameter Значение Value

Внутренний диаметр Inside diameter ~ 5-12 нм ~ 5-12 nm

Внешний диаметр Outside diameter ~ 30-50 нм ~ 30-50 nm

Длина Length 10-20 мкм 10-20 цт

Удельная масса Density 2,1 г/см3 2,1 g/cm3

Чистота Cleanliness >95%

CNT Dispersion. The most often used approach to nanoparticle dispersion is the ultrasound method (ultrasonic cavitator, ultrasonic bath), mechanic grinding, and hydrocavitation with the contribution of super plasticis-ers or surfactants. The literature also describes the possible combinations of the above mentioned methods. Surfactants are used to prevent re-agglomeration of dispersed nanoparticles and also helps with the dispersion of CNT by ultrasound or mechanical grinding [16-18]. When using surfactants, it is important to make sure that their chemical composition will not influence the solidification and hardening of the cement composite. Flawless dispersion of nanoparticles is one of the most important parts of the process of incorporating the nanotubes into the cement matrix. Carbon nanotubes have, among other things, a very high diameter-length ratio, high surface tension, and the Van der Waals forces affects them greatly. The synergy of these factors causes the forming of bundles, sometimes also called nests. CNT bundles decrease the overall strength of the matrix enriched by the nanoparticles. The decrease of the strength characteristics of the matrix with the existence of nanotube bundles is caused by the initiation of micro-defects durTaQ.^a 2 Table 2

Компонент Component Содержание, г Dose, g

Деминерализованная вода Demineralised water 100

Суперпластификатор Super plasticiser admixture 0,1

МУНТ MWCNT 0,025

Качественное диспергирование на-ночастиц является одним из самых важных этапов процесса внедрения нанотрубок в цементную матрицу. Углеродные нанотрубки, кроме прочего, имеют весьма высокое соотношение диаметра к длине, высокое поверхностное напряжение, и, как отмечено ранее, на них сильно влияют силы притяжения. Скопления УНТ понижают общую прочность матрицы, которая была обогащена наночастицами. Понижение прочностных характеристик матрицы при существовании скоплений наночастиц вызвано возникновением микродефектов в скоплениях нанотрубок при воздействии нагрузки [19].

В последнее время на рынке появились нанотрубки, в которые уже при изготовлении добавляют поверхностно-активные вещества или же обрабатывают поверхность OH-группами [20].

При диспергировании суспензии с нанотрубками необходимо убедиться, не приводит ли прилагаемая энергия к повреждениям структуры УНТ или даже к их переломам. Повреждение структуры гра-феновых «листов» изменяет поверхностное напряжение нанотрубок, может вызвать образование скоплений и уменьшение положительного влияния УНТ на свойства цементного композита [21].

Целью настоящей работы явилось определение оптимального времени и интенсивности диспергирования УНТ в водной среде с помощью ультразвукового кавитатора Bandelin Sonopuls HD 3200 (рис. 1). Качество диспергирования определялось с помощью UV/Vis/NIR спектрофотометра Lambda 950 (Perkin Elmer). После определения оптимального времени и интенсивности диспергирования суспензия вводилась в воду затворения при изготовлении образцов из цементного раствора с размерами 40x40x160 мм. На образцах определялась прочность при растяжении при изгибе и прочность при сжатии. Образцы с наилучшими физико-механическими характеристиками использовались для исследования микроструктуры с применением растрового электронного микроскопа TESCAN MIRA3 XMU (http://www.tescan. com/technology/sem/mira3).

Определение оптимального времени и интенсивности диспергирования. Для определения оптимальных параметров диспергирования были использованы углеродные нанотрубки Yurui (Шанхай, Chemical Co. Ltd.) Свойства использованных многослойных углеродных нанотрубок TNM17 представлены в табл. 1. МУНТ предварительно смешивались в деминерализованной воде с суперпластификатором в магнитной мешалке

Рис. 2. Динамика процесса поглощения в зависимости от продолжительности обработки ультразвуком: интенсивность ультразвуковой энергии 15% (CNT 15) (1); 25% (CNT 25) (2) и 100% (CNT 100) (3)

Fig. 2. Development of absorbance values for selected intensities of sonication at: 15% (CNT 15) (1), 25% (CNT 25) (2) и 100% (CNT 100) (3)

Таблица 3 Table 3

Образец Компонент, г Component, g

Simple Цемент Cement Вода Water Песок Sand Суперпластификатор SP УНТ CNT

Контрольная смесь REF 450 200 1350 0,2 CNT 15 450 200 1350 0,2 0,05

CNT 20 450 200 1350 0,2 0,05

CNT 100 450 200 1350 0,2 0,05

Таблица 4 Table 4

Образец Simple Продолжительность ультразвуковой обработки, мин Duration of sonication, min Порция внешней ультразвуковой энергии, кДж Dose of external US energy, kJ

CNT 15 36 650

CNT 25 26 650

CNT 100 9 650

Таблица 5 Table 5

Образец Simple Изменение прочности на растяжение при изгибе, % Change of tensile bending strength, % Изменение прочности при сжатии, % Change of compressive strength, %

CNT 15 8 3,3 9,8 1

CNT 20 10,7 4,4 12,6 1,3

CNT 100 9,3 12,1 5 2

ing the stress application exactly in these nanotube bundles [19].

Recently, nanotubes appearing on the market already have one of the surfactants incorporated into their chain from the manufacturer or they have an OH-group treated surface [20].

научно-технический и производственный журнал г " ■■, Г i & M; i p Г"*

Рис. 3. Микрофотография РЭМ образца CNT 100, увеличение: а -5000Х

d-100000Х

Fig. 3. Picture of the SEM sample CNT 100, magnified: а -5000Х; b-10000Х; c -50000Х; d-100000Х

I £12 I с

ä is 10 ü « ?

J ¥ "S5 b

X £= ф CO О

-> -i= 2

Рис. 4. Изменение прочности при растяжении при изгибе в возрасте 7 Fig. 4. Increase/decrease of tensile bending strength after 7 ( ) and 28 (

Phoenix Instrument RSM-10HS при 500 об/мин. Затем заранее подготовленная суспензия была перелита в конусообразную емкость и начата ультразвуковая кавитация. В ходе воздействия ультразвука в определенных интервалах времени с помощью микропипетки были отобраны пробы, служащие для определения степени диспергирования УНТ с использованием величины поглощения. Принцип измерения поглощения заключается в сравнении проникновения света контрольной (деминерализованной воды) и наблюдаемой пробами. На основе величины поглощения была установлена оптимальная продолжительность обработки ультразвуDuring the dispersion of the suspension with nanotubes, it is a good idea to find out if the application of externally delivered energy did not cause damage to the CNT structure, or even its breakage. Damaging the structure of the graphene sheets changes the surface tension of the nanotubes and it can lead to the formation of bundles and a decrease of the positive effect of CNT on the characteristics of the cement composite [21].

Materials and methods. The goal of the experiment was to establish the optimal period and intensity of the CNT dispersion in an aquatic environment by using the ultrasonic cavi-tator, Bandelin Sonopuls HD 3200 (Fig. 1). The dispersion quality was monitored on the UV/Vis/NIR spectrophotometer Lambda 950 from the Perkin Elmer Company. After establishing the ideal period and intensity of the dispersion, the suspension was used as part of the mixing water for the production of cement mortar test specimens with 40x40x160 mm dimensions. The cement mortar test specimens were then observed for tensile bending strength and compressive strength. Monitoring of the microstructure was conducted on the selected sample with the best values of physicomechanical characteristics using the scanning electron microscope, TESCAN MIRA3 XMU (http:// www.tescan.com/technology/sem/ mira3).

Establishing the optimal period and intensity of dispersion. The optimal

parameters of dispersion were established by using carbon nanotubes from

riYurui (Shanghai, Chemical Co. Ltd). The characteristics of the multi-walled carbon nanotubes, TNM17, used in the experiment are described in Tab. 1. MWCNT were prearranged in demineralised water with super plasticiser admixture in a magnetic stirrer. Phoenix Instrument RSM-10HS, at 500 rpm/min. The prearranged suspension was poured into the rosett cell _ and the ultrasonic cavitation was started. During the operation of the ultrasound, a micropipette was used for taking samples at predefined time periods. These samples were then examined for the dispersion level of CNT by observing the absorbance values. The principle of the absorbance measurement is to compare the passage of light through zero (demineralised water) and the testing sample. Based on the absorbance values, we established the optimal period of the external ultrasound energy use for different intensities of sonication. We monitored the US energy intensities at 15, 25, and 100%, see Fig. 2; the composition of suspensions is in Tab. 2. To establish the optimal doses of energy and their endurance, the mixed suspensions were designed for the production of test specimens from cement mortars; the compositions are in Tab. 3. Monitoring of the microstructure through a scanning electron microscope was performed on a fraction of

b -10000Х; c -50000Х

( ) и 28 сут ( ) days

ком при различной интенсивности ультразвуковой энергии. Исследования проводились для интенсивности ультразвуковой энергии 15, 25 и 100% (рис. 2). Состав суспензии приводится в табл. 2. После определения оптимальной интенсивности энергии и продолжительности воздействия ультразвука была приготовлена суспензия для изготовления образцов из цементного раствора. Состав отдельных цементных растворов представлен в табл. 3. На сколе цементного раствора состава CNT 100 было проведено исследование микроструктуры с помощью растрового электронного микроскопа, результаты приведены на рис. 3.

Как видно на рис. 2, при различной интенсивности внешней ультразвуковой энергии характеристика нарастания значений поглощения разная. Наклон кривых, изображающих динамику процесса поглощения, соответствует подаче ультразвуковой энергии. На основании анализа кривых, изображающих динамику процесса поглощения, была определена продолжительность ультразвуковой обработки и интенсивность внешней ультразвуковой энергии (табл. 4).

Компоненты цементного раствора: стандартный песок с наибольшей крупностью зерна 2 мм; деминерализованная вода затворения в контрольной смеси; в смесях с УНТ суспензия деминерализованной воды, суперпластификатора и углеродных нанотрубок. Изготовление образцов проводилось согласно EN 196-1. Формы с образцами были накрыты пластинкой и помещены в камеру влажного хранения. После расформовки образцы были помещены в водную среду. В возрасте 7 и 28 сут определялись прочность при растяжении при изгибе и прочность при сжатии согласно стандарту ЕН 196-1. Обобщенные результаты определения физико-механических характеристик приведены в табл. 5 и на рис. 4 и 5.

Оптимальная интенсивность ультразвуковой энергии и продолжительность ультразвуковой обработки для исследованных суспензий была определена с помощью UV/Vis спектроскопии. Оптимальная интенсивность ультразвуковой энергии для всех суспензий составила 650 кДж. Продолжительность обработки ультразвуком с интенсивностью 15% — 36 мин, с интенсивностью 25% — 26 мин, а для интенсивности 100% — 9 мин. Наилучшими физико-механическими характеристиками обладает состав CNT 100: прочность при растяжении при изгибе в возрасте 28 сут повысилась на 12%, прочность при сжатии в том же возрасте повысилась на 3%. Стоит также обратить внимание на прочность в возрасте 7 сут: прочность при растяжении при изгибе и прочность при сжатии повысились приблизительно на 10%. На микрофотографиях, сделанных растровым электронным микроскопом, не наблюдалось скоплений УНТ.

Выводы.

Цель исследований — наблюдение за поведением суспензии при ультразвуковой обработке с использованием UV/Vis спектрометра и определение оптимальных параметров диспергирования наночастиц. Эксперимент подтвердил значимость влияния общей интенсивности ультразвуковой энергии, времени обработки на качество диспергирования углеродных нанотрубок в суспензии. Изучение качества диспергирования суспензии с наночастицами с помощью UV/Vis спектроскопии дает достаточно полные результаты, которые можно легко

Рис. 5. Изменение прочности при сжатии в возрасте 7 ( Fig. 5. Increase/decrease of compressive strength after 7 (

) и 28 сут ( ) and 28 (

cement mortar, CNT 100N, and you can find the results in Fig. 3.

As is evident from Fig. 2, there is a characteristic difference in the development of absorbance values for individual intensities of sonication. The slope of the development curve corresponds with the intensity of sonication. The duration and value of ultrasound energy has been established based on the development curves, see Tab. 4.

For the production of cement mortars, norm-sand with a maximum of 2 mm grain was used as filling. The mixture water for the reference samples was made from demineralised water, a suspension of demineralised water was used for the samples with CNT, super plasticiser admixture, and carbon nanotubes. Production of the test specimen proceeded according to EN 196-1. After formation, the produced samples were stored in an aquatic environment. Assessment of selected mechanical characteristics (tensile bending strength and compressive strength) was processed according to EN 196-1 at the 7th and 28th day of age of the samples. The results of the characteristics determination are summarised in Tab. 5 and in Fig. 4 and Fig. 5.

Using the UV/Vis spectroscopy on the monitored suspension, the optimal dose of sonication and its durability have been determined. The optimum dose of sonication for all suspensions was 650 kJ. The duration of sonication for a suspension with 15% intensity was established as 36 minutes, for a suspension with 25% intensity it was 26 minutes, and for a suspension with 100% intensity it was established as 9 minutes. The best physical and mechanical characteristics were achieved with the sample identified as CNT 100, where the tensile bending strength increased after 28 days by 12% and the compressive strength after 28 days increased by 3%. What is also interesting is the development of tensile bending strength and compressive strength after 7 days, where all samples showed an increase in the physical mechanical characteristics about 10%. The pictures from the scanning electron microscope do not show any visible CNT bundles.

Conclusions

The goal of the experiment was to primarily monitor the behaviour of suspensions during ultrasound cavitation with a UV/Vis spectroscopy and to establish optimal parameters for nanoparticles dispersion. The experiment proved the importance of the effect of the total dose, intensity, and duration of the sonication with regards to the dispersion quality of the carbon nanotubes in suspension. Monitoring the quality of dispersion for suspensions with nanotubes using UV/Vis spectroscopy gives complete results which are easily interpreted. At the same time it offers immediate data about the level of suspension dispersion thanks to the absorbance values. That is the reason why UV/Vis spectroscopy, unlike transmission electron microscopy, is a

научно-технический и производственный журнал г " ■■, Г i & M; i p Г"*

интерпретировать. Одновременно на основе результатов измерения поглощения возможно получить мгновенную информацию о степени диспергирования суспензии. Поэтому UV/Vis спектроскопия в отличие, например, от трансмиссионной электронной микроскопии считается весьма оперативным методом для определения оптимального диспергирования наноча-стиц в суспензии. У исследованных цементных растворов с добавкой суспензии УНТ наблюдалось по сравнению с контрольной смесью повышение прочности при растяжении при изгибе порядка 10%, a прочности при сжатии ~12%. Повышение прочности при сжатии в возрасте 28 сут незначительно. Следующим этапом исследования является изучение дефектов стенок углеродных нанотрубок, возникших при воздействии ультразвука, и их влияние на цементные композиты и дальнейшие исследования в области использования нанотехнологии для улучшения свойств бетона.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта MPO CR TRIO FV10680 и GA 15-23219S.

Список литературы / References

suitable method for establishing the optimal dispersion of nanoparticles in suspension. The monitored samples of cement mortars achieved an increase in the characteristics for tensile strength of about 10% and compressive strength of about 12%; increase of the compressive strength after 28 days is insignificant. What is interesting though is the development of strength after 7 days of maturing. The next stage of the research will be focused on the integration of nanoparticles into cement composites where we will monitor the damage to the carbon nanotube walls caused by ultrasound and the implementation of nanotechnologies into concrete.

Acknowledgements.

This paper has been worked out under the project MPO FV 10680, supported by the Ministry of Industry and Trade of the Czech Republic, and under the project GACR P104/15-23219S "Study of methods of nanoparticles dispersion, determination of conditions for preventing their re-agglomeration for application in cement composites", supported by the Czech Science Foundation.