Нанотръби от борен нитрид – Ексфолирани и диспергирани с помощта на Sonication
Ултразвукът се прилага успешно за обработка и дисперсия на нанотръби от борен нитрид (BNNT). Високоинтензивното ултразвуково обезвреждане осигурява хомогенно разплитане и разпределение в различни разтвори и по този начин е ключова техника за обработка за включване на BNNT в разтвори и матрици.
Ултразвукова обработка на нанотръби от борен нитрид
За да се включат нанотръби от борен нитрид (BNNT) или наноструктури от борен нитрид (BNN), като нанолистове и наноленти в течни разтвори или полимерни матрици, е необходима ефективна и надеждна техника на дисперсия. Ултразвуковата дисперсия осигурява необходимата енергия за ексфолиране, разплитане, диспергиране и функционализиране на нанотръби от борен нитрид и наноструктури от борен нитрид с висока ефективност. Прецизно контролираните параметри на обработка на ултразвука с висока интензивност (т.е. енергия, амплитуда, време, температура и налягане) позволяват индивидуално да се регулират условията на обработка според целевата цел на процеса. Това означава, че ултразвуковият интензитет може да се регулира по отношение на специфичната формула (качество на BNNT, разтворител, концентрация твърдо-течно и т.н.), като по този начин се получават оптимални резултати.

Ултразвуков път за синтезиране на наночашки от борен нитрид
(проучване и графика: Yu et al. 2012)
Приложенията на ултразвуковата обработка на BNNT и BNN обхващат пълния спектър от хомогенна дисперсия на двуизмерни наноструктури от борен нитрид (2D-BNN) до тяхната функционализация и химическа ексфолация на еднослоен шестоъгълен борен нитрид. По-долу представяме подробности за ултразвуковата дисперсия, ексфолирането и функционализацията на BNNT и BNN.

Монтаж на ултразвукови диспергатори (2x UIP1000hdT) за преработка на нанотръби от борен нитрид в промишлен мащаб
Ултразвукова дисперсия на нанотръби от борен нитрид
Когато нанотръбите от борен нитрид (BNNT) се използват за подсилване на полимери или за синтез на нови материали, е необходима равномерна и надеждна дисперсия в матрицата. Ултразвуковите диспергатори се използват широко за диспергиране на наноматериали като CNT, метални наночастици, частици от сърцевината и други видове наночастици във втора фаза.
Ултразвуковата дисперсия е успешно приложена за разплитане и равномерно разпределение на BNNT във водни и неводни разтвори, включително етанол, PVP етанол, етанол TX100, както и различни полимери (напр. полиуретан).
Често използвано повърхностноактивно вещество за стабилизиране на ултразвуково приготвена BNNT дисперсия е 1% wt разтвор на натриев додецил сулфат (SDS). Например, 5 mg BNNT се диспергират ултразвуково във флакон с 5 ml 1% wt. SDS разтвор с помощта на ултразвуков диспергатор тип сонда като UP200St (26kHz, 200W).
Водна дисперсия на BNNT с помощта на ултразвук
Поради силните си взаимодействия на ван дер Ваалс и хидрофобната повърхност, нанотръбите от борен нитрид са слабо диспергирани в разтвори на водна основа. За да решат тези проблеми, Jeon et al. (2019) използват Pluronic P85 и F127, които имат както хидрофилни, така и хидрофобни групи, за да функционализират BNNT при ултразвук.

SEM изображения на съкратени BNNT след различна продължителност на ултразвука. Както е показано, дължините на тези BNNT намаляват с увеличаването на кумулативната продължителност на ултразвука.
(проучване и снимка: Lee et al. 2012)
Ексфолиране без повърхностноактивни вещества на нанолистове от борен нитрид с помощта на соникация
Lin et al. (2011) представят чист метод за ексфолиране и диспергиране на хексагонален борен нитрид (h-BN). Шестоъгълният борен нитрид традиционно се счита за неразтворим във вода. Те обаче успяха да докажат, че водата е ефективна за ексфолиране на слоестите h-BN структури с помощта на ултразвук, образувайки “чист” водни дисперсии на h-BN нанолистове без използване на повърхностноактивни вещества или органична функционализация. Този ултразвуков процес на ексфолиране произвежда многослойни h-BN нанолистове, както и еднослойни нанолистове и нанолентови видове. Повечето нанолистове са с намалени странични размери, което се дължи на изрязването на родителските h-BN листове, индуцирано от хидролиза с помощта на ултразвук (потвърдено от теста за амоняк и резултатите от спектроскопията). Ултразвуково индуцираната хидролиза също насърчава ексфолирането на h-BN нанолистове в помощ на ефекта на полярността на разтворителя. Нанолистовете h-BN в тези “чист” водните дисперсии показват добра обработваемост чрез методи на разтвори, запазващи физическите си характеристики. Диспергираните h-BN нанолистове във вода също показват силен афинитет към протеини като феритин, което предполага, че повърхностите на нанолистовете са достъпни за по-нататъшни биоконюгации.
Ултразвуково намаляване на размера и рязане на нанотръби от борен нитрид
The length of boron nitride nanotubes plays a crucial role when it comes to the subsequent processing of BNNTs into polymers and other functionalized materials. Therefore it is an important fact that sonication of the BNNTs in solvent could not only separate BNNTs individually, but also shorten the bamboo structured BNNTs under controlled conditions. The shortened BNNTs have a much lower chance of bundling during composite preparation.Lee at al. (2012) demonstrated that the lengths of functionalized BNNTs can be efficiently shortened from >10µm to ∼500nm by ultrasonication. Their experiments suggest that effective ultrasonic dispersion of BNNT in solution is necessary for such cutting of BNNT size reduction and cutting.

(в) Добре дисперирани mPEG-DSPE/BNNT във вода (след 2 часа ултразвук). г) Схематичен представител на BNNT, функционализиран от молекула mPEG-DSPE
(проучване и снимка: Lee et al. 2012)

Ултразвуков хомогенизатор UP400St за дисперсия на нанотръби от борен нитрид (BNNT)
Високоефективни ултразвукови апарати за BNNT обработка
Интелигентните функции на ултразвуковите апарати Hielscher са проектирани да гарантират надеждна работа, възпроизводими резултати и удобство за потребителя. Работните настройки могат лесно да бъдат достъпни и набрани чрез интуитивно меню, което може да бъде достъпно чрез цифров цветен сензорен дисплей и дистанционно управление на браузъра. Следователно всички условия на обработка като нетна енергия, обща енергия, амплитуда, време, налягане и температура се записват автоматично на вградена SD-карта. Това ви позволява да преразгледате и сравните предишни серии на ултразвук и да оптимизирате процеса на ексфолиране и диспергиране на нанотръби и наноматериали от борен нитрид до най-висока ефективност.
Системите Hielscher Ultrasonics се използват по целия свят за производството на висококачествени BNNT. Индустриалните ултразвукови апарати Hielscher могат лесно да работят с високи амплитуди при непрекъсната работа (24/7/365). Амплитуди до 200 μm могат лесно да се генерират непрекъснато със стандартни сонотроди (ултразвукови сонди? рога). За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди. Поради тяхната здравина и ниска поддръжка, нашите ултразвукови системи за ексфолиране и диспергиране обикновено се инсталират за тежки приложения и в взискателни среди.
Hielscher Ultrasonics’ Индустриалните ултразвукови процесори могат да осигурят много високи амплитуди. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди.
Ултразвуковите процесори на Hielscher за диспергиране и ексфолиране на нанотръби от борен нитрид, както и CNT и графен вече са инсталирани по целия свят в търговски мащаб. Свържете се с нас сега, за да обсъдим вашия производствен процес на BNNT! Нашият опитен персонал ще се радва да сподели повече информация за процеса на ексфолиране, ултразвуковите системи и цените!
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
---|---|---|
1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас!? Попитайте ни!
Литература? Препратки
- Sang-Woo Jeon, Shin-Hyun Kang, Jung Chul Choi, Tae-Hwan Kim (2019): Dispersion of Boron Nitride Nanotubes by Pluronic Triblock Copolymer in Aqueous Solution. Polymers 11, 2019.
- Chee Huei Lee, Dongyan Zhang, Yoke Khin Yap (2012): Functionalization, Dispersion, and Cutting of Boron Nitride Nanotubes in Water. Journal of Physical Chemistry C 116, 2012. 1798–1804.
- Lin, Yi; Williams, Tiffany; Xu, Tian-Bing; Cao, Wei; Elsayed-Ali, Hani; Connell, John (2011): Aqueous Dispersions of Few-Layered and Monolayered Hexagonal Boron Nitride Nanosheets from Sonication-Assisted Hydrolysis: Critical Role of Water. The Journal of Physical Chemistry C 2011.
- Yuanlie Yu, Hua Chen, Yun Liu, Tim White, Ying Chen (2012): Preparation and potential application of boron nitride nanocups. Materials Letters, Vol. 80, 2012. 148-151.
- Luhua Li, Ying Chen, Zbigniew H. Stachurski (2013): Boron nitride nanotube reinforced polyurethane composites. Progress in Natural Science: Materials International Vol. 23, Issue 2, 2013. 70-173.
- Yanhu Zhan, Emanuele Lago, Chiara Santillo, Antonio Esaú Del Río Castillo, Shuai Hao, Giovanna G. Buonocore, Zhenming Chen, Hesheng Xia, Marino Lavorgna, Francesco Bonaccorso (2020): An anisotropic layer-by-layer carbon nanotube/boron nitride/rubber composite and its application in electromagnetic shielding. Nanoscale 12, 2020. 7782-7791.
- Kalay, Şaban; Çobandede, Zehra; Sen, Ozlem; Emanet, Melis; Kazanc, Emine; Culha, Mustafa (2015): Synthesis of boron nitride nanotubes and their applications. Beilstein Journal of Nanotechnology Vol 6, 2015. 84-102.
Факти, които си струва да знаете
Нанотръби и наноматериали от борен нитрид
Нанотръбичките от борен нитрид предлагат уникална атомна структура, сглобена от борни и азотни атоми, подредени в шестоъгълна мрежа. Тази структура дава на BNNT множество отлични вътрешни свойства като превъзходна механична якост, висока топлопроводимост, електроизолационно поведение, пиезоелектрични свойства, способност за неутронно екраниране и устойчивост на окисляване. Честотната лента от 5 eV може да се настрои и с помощта на напречни електрически полета, което прави BNNT интересни за електронни устройства. Освен това BNNT имат висока устойчивост на окисляване до 800°C, показват отлично пиезоелектричество и могат да бъдат добър материал за съхранение на водород при стайна температура.
BNNT срещу графен: BNNT са структурните аналози на графена. Основната разлика между наноматериалите на основата на бор нитрид и техните въглеродни аналози е естеството на връзките между атомите. Връзката C-C във въглеродните наноматериали има чист ковалентен характер, докато B-N връзките имат частично йонен характер, дължащ се на e-двойките в sp2 хибридизирания B-N. (срв. Emanet et al. 2019)
BNNT срещу въглеродни нанотръби: Нанотръбите от борен нитрид (BNNT) показват подобна тръбна наноструктура на въглеродните нанотръби (CNT), в които атомите на бор и азот са подредени в шестоъгълна мрежа.
Ксените: Ксените са 2D, моноелементни наноматериали. Известни примери са борофен, гален, силицен, германен, станен, фосфорен, арсен, антимонен, бисмутен, телурен и селен. Ксените имат изключителни свойства на материала, които по този начин имат потенциала да преодолеят ограниченията по отношение на практическите приложения на други 2D материали. Научете повече за ултразвуковото ексфолиране на ксени!

Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да индустриален размер.