Нанотръби от борен нитрид – ексфолирани и диспергирани чрез ултразвукова обработка

Ултразвуковата обработка се прилага успешно за обработване и диспергиране на нанотръби от борен нитрид (BNNTs). Ултразвуковата обработка с висок интензитет осигурява равномерно разплитане и разпределение в различни разтвори и затова е ключова технология за включване на BNNTs в разтвори и матрици.

Ултразвукова обработка на нанотръби от борен нитрид

За включване на нанотръби от борен нитрид (BNNTs) или наноструктури от борен нитрид (BNNs), като нанолистове и наноленти, в течни разтвори или полимерни матрици е необходима ефективна и надеждна технология за диспергиране. Ултразвуковото диспергиране осигурява необходимата енергия за ексфолиране, разплитане, диспергиране и функционализиране на нанотръби и наноструктури от борен нитрид с висока ефективност. Прецизно контролируемите параметри на обработката с ултразвук с висок интензитет (т.е. енергия, амплитуда, време, температура и налягане) позволяват индивидуално адаптиране на условията на обработка към целта на процеса. Това означава, че интензитетът на ултразвука може да се регулира спрямо конкретната рецептура (качество на BNNTs, разтворител, концентрация на твърдата фаза в течността и др.), като по този начин се получават оптимални резултати.

Приложенията на ултразвуковата обработка на BNNTs и BNNs обхващат целия диапазон от хомогенно диспергиране на двумерни наноструктури от борен нитрид (2D-BNNs) до тяхното функционализиране и химично ексфолиране на еднослоен хексагонален борен нитрид. По-долу представяме подробности за ултразвуковото диспергиране, ексфолиране и функционализиране на BNNTs и BNNs.

Ултразвуково диспергиране на нанотръби от борен нитрид

Когато нанотръби от борен нитрид (BNNTs) се използват за армиране на полимери или за синтез на нови материали, е необходимо равномерно и надеждно диспергиране в матрицата. Ултразвуковите диспергатори се използват широко за диспергиране на наноматериали, като CNTs, метални наночастици, частици с ядро и обвивка и други видове наночастици, във втора фаза.
Ултразвуковото диспергиране се прилага успешно за разплитане и равномерно разпределение на BNNTs във водни и неводни разтвори, включително етанол, етанол с PVP, етанол с TX100, както и в различни полимери (напр. полиуретан).
Често използвано повърхностноактивно вещество за стабилизиране на дисперсия на BNNTs, приготвена чрез ултразвукова обработка, е разтвор на натриев додецилсулфат (SDS) с концентрация 1%wt. Например 5 mg BNNTs се диспергират ултразвуково във флакон с 5 mL разтвор на SDS с концентрация 1%wt. с помощта на ултразвуков диспергатор със сонда, като UP200St (26kHz, 200W).

Диспергиране на BNNTs във вода с помощта на ултразвук

Поради силните взаимодействия на ван дер Ваалс и хидрофобната си повърхност нанотръбите от борен нитрид се диспергират трудно 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 функционализиране на BNNT при ултразвукова обработка.

Ексфолиране на нанолистове от борен нитрид чрез ултразвукова обработка без повърхностноактивни вещества

Lin et al. (2011) представят чист метод за ексфолиране и диспергиране на хексагонален борен нитрид (h-BN). Хексагоналният борен нитрид традиционно се счита за неразтворим във вода. Те обаче успяват да покажат, че водата е ефективна за ексфолиране на слоестите структури на h-BN чрез ултразвукова обработка, при което се образуват „чисти“ водни дисперсии на нанолистове от h-BN без използване на повърхностноактивни вещества или органично функционализиране. Този процес на ултразвуково ексфолиране получава нанолистове от h-BN с няколко слоя, както и еднослойни нанолистове и наноленти. Повечето нанолистове са с намалени странични размери, което се обяснява с разрязването на изходните листове от h-BN, предизвикано от хидролизата, подпомагана от ултразвуковата обработка (потвърдено от теста за амоняк и резултатите от спектроскопията). Ултразвуково предизвиканата хидролиза също подпомага ексфолирането на нанолистовете от h-BN, допълвайки ефекта от полярността на разтворителя. Нанолистовете от h-BN в тези „чисти“ водни дисперсии показват добра пригодност за обработка чрез методи, използващи разтвори, като запазват физичните си характеристики. Диспергираните във вода нанолистове от h-BN също показват силен афинитет към протеини, като феритин, което предполага, че повърхностите на нанолистовете са достъпни за последващи биоконюгации.

Сономеханичният метод за диспергиране, използващ ултразвукова кавитация и сили на срязване, е чисто физичен подход за смесване, за който е доказано, че може да разделя сноповете от BNNTs и да стабилизира отделни BNNTs, като същевременно запазва тяхната цялост и присъщи свойства. При прилагане на подходяща ултразвукова енергия (Ws/mL), т.е. регулирани амплитуда и продължителност на ултразвуковата обработка, ултразвуковото диспергиране може да разплита и равномерно да диспергира BNNTS. Могат да се прилагат по-високи амплитуди и по-продължителна ултразвукова обработка, ако трябва да се намали дължината на нанотръбите от борен нитрид. Прочетете повече за ултразвуковото намаляване на размерите и скъсяване чрез разрязване на BNNTs в следващия раздел.

Ултразвуково намаляване на размерите и разрязване на нанотръби от борен нитрид

Дължината на нанотръбите от борен нитрид играе ключова роля при последващото включване на BNNTs в полимери и други функционализирани материали. Затова е важен фактът, че ултразвуковата обработка на BNNTs в разтворител може не само да отделя BNNTs една от друга, но и да скъсява BNNTs с бамбукоподобна структура при контролирани условия. Скъсените BNNTs имат много по-малка вероятност да образуват снопове при приготвянето на композити. Lee at al. (2012) показват, че дължините на функционализираните BNNTs могат ефективно да бъдат намалени от >10µm до ∼500nm чрез ултразвукова обработка. Техните експерименти показват, че ефективното ултразвуково диспергиране на BNNT в разтвор е необходимо за такова намаляване на размерите и разрязване на BNNT.

Високопроизводителни ултразвукови устройства за обработка на BNNTs

Интелигентните функции на ултразвуковите устройства на Hielscher са проектирани да гарантират надеждна работа, възпроизводими резултати и удобство за потребителя. Работните настройки са лесно достъпни и могат да се регулират чрез интуитивно меню, достъпно през цифров цветен сензорен дисплей и дистанционно управление чрез браузър. Така всички условия на обработката, като нетна енергия, обща енергия, амплитуда, време, налягане и температура, се записват автоматично на вградена SD карта. Това ви позволява да преглеждате и сравнявате предишни цикли на ултразвукова обработка и да оптимизирате процеса на ексфолиране и диспергиране на нанотръби от борен нитрид и наноматериали за постигане на най-висока ефективност.
Системите на Hielscher Ultrasonics се използват по целия свят за производство на висококачествени BNNTs. Промишлените ултразвукови устройства на Hielscher могат лесно да работят с високи амплитуди в непрекъснат режим (24/7/365). Амплитуди до 200µm могат лесно да се генерират непрекъснато със стандартни сонотроди (ултразвукови сонди / рупори). За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка. Благодарение на своята здравина и ниските изисквания за поддръжка нашите системи за ултразвуково ексфолиране и диспергиране често се инсталират за приложения с голямо натоварване и в тежки работни условия.
Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа в режим 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка.
Ултразвуковите процесори на Hielscher за диспергиране и ексфолиране на нанотръби от борен нитрид, както и на CNTs и графен, вече са инсталирани по целия свят в търговски мащаб. Свържете се с нас сега, за да обсъдим вашия процес на производство на BNNTs! Нашите служители с богат опит с удоволствие ще споделят повече информация за процеса на ексфолиране, ултразвуковите системи и цените!
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства: