Nanocijevi borovog nitrida – eksfolirane i dispergirane ultrazvučnom obradom

Ultrazvučna obrada se uspješno primjenjuje za obradu i dispergiranje nanocijevi borovog nitrida (BNNT). Ultrazvuk visokog intenziteta omogućava homogeno razmrsivanje i raspodjelu u različitim otopinama te je stoga ključna tehnika obrade za ugradnju BNNT-ova u otopine i matrice.

Ultrazvučna obrada nanocijevi borovog nitrida

Da bi se nanocijevi borovog nitrida (BNNT) ili nanostrukture borovog nitrida (BNN), kao što su nanolisti i nanotrake, ugradile u tekuće otopine ili polimerne matrice, potrebna je učinkovita i pouzdana tehnika dispergiranja. Ultrazvučno dispergiranje daje energiju potrebnu za eksfolijaciju, razmrsivanje, dispergiranje i funkcionalizaciju nanocijevi borovog nitrida i nanostruktura borovog nitrida s visokom učinkovitošću. Precizno podesivi parametri obrade ultrazvukom visokog intenziteta (tj. energija, amplituda, vrijeme, temperatura i pritisak) omogućavaju da se uvjeti obrade pojedinačno prilagode ciljanom cilju procesa. To znači da se ultrazvučni intenzitet može prilagoditi specifičnoj formulaciji (kvaliteta BNNT-ova, otapalo, koncentracija čvrste tvari u tekućini itd.), čime se postižu optimalni rezultati.

Primjene ultrazvučne obrade BNNT-ova i BNN-ova obuhvataju cijeli raspon, od homogenog dispergiranja dvodimenzionalnih nanostruktura borovog nitrida (2D-BNN) do njihove funkcionalizacije i hemijske eksfolijacije jednoslojnog heksagonalnog borovog nitrida. U nastavku predstavljamo detalje o ultrazvučnom dispergiranju, eksfolijaciji i funkcionalizaciji BNNT-ova i BNN-ova.

Ultrazvučno dispergiranje nanocijevi borovog nitrida

Kada se nanocijevi borovog nitrida (BNNT) koriste za ojačavanje polimera ili za sintezu novih materijala, potrebna je ujednačena i pouzdana disperzija u matricu. Ultrazvučni dispergatori se široko koriste za dispergiranje nanomaterijala kao što su CNT-ovi, metalne nanočestice, čestice tipa jezgra–ljuska i druge vrste nanočestica u drugu fazu.
Ultrazvučno dispergiranje je uspješno primijenjeno za razmrsivanje i ravnomjernu raspodjelu BNNT-ova u vodenim i nevodenim otopinama, uključujući etanol, PVP etanol, TX100 etanol, kao i različite polimere (npr. poliuretan).
Uobičajeno korišteni surfaktant za stabilizaciju ultrazvučno pripremljene disperzije BNNT-ova je 1%wt otopina natrijevog dodecil-sulfata (SDS). Na primjer, 5 mg BNNT-ova se ultrazvučno dispergira u bočici s 5 mL 1%wt. otopine SDS-a pomoću ultrazvučnog dispergatora sa sondom, kao što je UP200St (26kHz, 200W).

Vodena disperzija BNNT-ova primjenom ultrazvuka

Zbog jakih van der Waalsovih interakcija i hidrofobne površine, nanocijevi borovog nitrida se slabo dispergiraju u otopinama na bazi vode. Da bi riješili te probleme, Jeon et al. (2019) koristili su Pluronic P85 i F127, koji imaju i hidrofilne i hidrofobne grupe, za funkcionalizaciju BNNT-ova tokom ultrazvučne obrade.

Eksfolijacija nanolista borovog nitrida ultrazvučnom obradom bez surfaktanata

Lin et al. (2011) predstavljaju čistu metodu eksfolijacije i dispergiranja heksagonalnog borovog nitrida (h-BN). Heksagonalni borov nitrid se tradicionalno smatra netopivim u vodi. Međutim, uspjeli su pokazati da je voda učinkovita za eksfolijaciju slojevitih h-BN struktura ultrazvučnom obradom, pri čemu nastaju „čiste“ vodene disperzije h-BN nanolista bez upotrebe surfaktanata ili organske funkcionalizacije. Ovim procesom ultrazvučne eksfolijacije dobiveni su h-BN nanolisti s malim brojem slojeva, kao i jednoslojni nanolisti i nanotrake. Većina nanolista imala je smanjene lateralne dimenzije, što se pripisivalo rezanju izvornih h-BN listova izazvanom hidrolizom potpomognutom ultrazvučnom obradom (potvrđeno testom na amonijak i rezultatima spektroskopije). Ultrazvučno izazvana hidroliza također je potpomogla eksfolijaciju h-BN nanolista, uz učinak polarnosti otapala. H-BN nanolisti u ovim „čistim“ vodenim disperzijama pokazali su dobru obradivost metodama u otopini uz zadržavanje svojih fizičkih karakteristika. Dispergirani h-BN nanolisti u vodi pokazali su i snažan afinitet prema proteinima kao što je feritin, što upućuje na to da su površine nanolista bile dostupne za daljnje biokonjugacije.

Sono-mehanička metoda dispergiranja koja koristi ultrazvučnu kavitaciju i smične sile čisto je fizikalni pristup miješanja, za koji je dokazano da može razdvojiti snopove BNNT-ova i stabilizirati pojedinačne BNNT-ove uz očuvanje njihovog integriteta i intrinzičnih svojstava. Primjenom odgovarajuće ultrazvučne energije (Ws/mL), tj. prilagođene amplitude i trajanja ultrazvučne obrade, ultrazvučno dispergiranje može ravnomjerno razmrsiti i dispergirati BNNTS. Veće amplitude i duža ultrazvučna obrada mogu se primijeniti ako je potrebno smanjiti dužinu nanocijevi borovog nitrida. Više o ultrazvučnom smanjenju veličine i rezanju dužine BNNT-ova pročitajte u sljedećem odjeljku.

Ultrazvučno smanjenje veličine i rezanje nanocijevi borovog nitrida

Dužina nanocijevi borovog nitrida igra ključnu ulogu pri naknadnoj obradi BNNT-ova u polimere i druge funkcionalizirane materijale. Stoga je važna činjenica da ultrazvučna obrada BNNT-ova u otapalu može ne samo pojedinačno razdvojiti BNNT-ove, nego i skratiti BNNT-ove bambusove strukture pod kontroliranim uvjetima. Skraćeni BNNT-ovi imaju mnogo manju vjerovatnoću stvaranja snopova tokom pripreme kompozita.Lee at al. (2012) pokazali su da se dužine funkcionaliziranih BNNT-ova mogu efikasno skratiti sa >10µm na ∼500nm ultrazvučnom obradom. Njihovi eksperimenti upućuju na to da je učinkovito ultrazvučno dispergiranje BNNT-ova u otopini neophodno za takvo smanjenje veličine i rezanje BNNT-ova.

Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za obradu BNNT-ova

Pametne funkcije Hielscher ultrazvučnih uređaja osmišljene su da zajamče pouzdan rad, ponovljive rezultate i jednostavnost korištenja. Radnim postavkama se lako pristupa i podešavaju se putem intuitivnog menija, kojem se može pristupiti putem digitalnog ekrana osjetljivog na dodir u boji i daljinskog upravljanja putem preglednika. Stoga se svi uvjeti obrade, kao što su neto energija, ukupna energija, amplituda, vrijeme, pritisak i temperatura, automatski bilježe na ugrađenu SD karticu. To vam omogućava da pregledate i uporedite prethodne cikluse ultrazvučne obrade te da proces eksfolijacije i dispergiranja nanocijevi borovog nitrida i nanomaterijala optimizirate do najviše učinkovitosti.
Hielscher Ultrasonics sistemi se širom svijeta koriste za proizvodnju visokokvalitetnih BNNT-ova. Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji mogu lako raditi s visokim amplitudama u kontinuiranom radu (24/7/365). Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano generirati standardnim sonotrodama (ultrazvučnim sondama / rogovima). Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Zbog svoje robusnosti i niskih troškova održavanja, naši sistemi za ultrazvučnu eksfolijaciju i dispergiranje obično se instaliraju za zahtjevne primjene u teškim uvjetima rada i u izazovnim okruženjima.
Industrijski ultrazvučni procesori kompanije Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano održavati u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Hielscher ultrazvučni procesori za dispergiranje i eksfolijaciju nanocijevi borovog nitrida, kao i CNT-ova i grafena, već su instalirani širom svijeta u komercijalnom obimu. Kontaktirajte nas odmah kako bismo razgovarali o vašem procesu proizvodnje BNNT-ova! Naše iskusno osoblje rado će podijeliti više informacija o procesu eksfolijacije, ultrazvučnim sistemima i cijenama!
Tabela ispod daje vam okvirnu orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja: