Nanotrubice nitridu boru – exfoliace a disperze pomocí sonikace

Ultrasonikace se úspěšně používá ke zpracování a disperzi nanotrubic nitridu boru (BNNTs). Vysoce intenzivní sonikace zajišťuje homogenní rozmotání a distribuci v různých roztocích, a je proto klíčovou technikou zpracování pro začlenění BNNTs do roztoků a matric.

Ultrazvukové zpracování nanotrubic nitridu boru

Pro začlenění nanotrubic nitridu boru (BNNTs) nebo nanostruktur nitridu boru (BNNs), jako jsou nanovrstvy a nanopásky, do kapalných roztoků nebo polymerních matric je zapotřebí účinná a spolehlivá disperzní technika. Ultrazvuková disperze poskytuje energii potřebnou k exfoliaci, rozmotání, dispergaci a funkcionalizaci nanotrubic nitridu boru a nanostruktur nitridu boru s vysokou účinností. Přesně řiditelné procesní parametry vysoce intenzivního ultrazvuku (tj. energie, amplituda, čas, teplota a tlak) umožňují individuálně přizpůsobit podmínky zpracování cílovému procesnímu záměru. To znamená, že intenzitu ultrazvuku lze upravit s ohledem na konkrétní složení (kvalita BNNTs, rozpouštědlo, koncentrace pevné a kapalné fáze atd.), a dosáhnout tak optimálních výsledků.

Aplikace ultrazvukového zpracování BNNTs a BNNs pokrývají celé spektrum od homogenní disperze dvourozměrných nanostruktur nitridu boru (2D-BNNs) až po jejich funkcionalizaci a chemickou exfoliaci jednovrstvého hexagonálního nitridu boru. Níže uvádíme podrobnosti o ultrazvukové disperzi, exfoliaci a funkcionalizaci BNNTs a BNNs.

Ultrazvuková disperze nanotrubic nitridu boru

Pokud se nanotrubice nitridu boru (BNNTs) používají k vyztužení polymerů nebo k syntéze nových materiálů, je nutná rovnoměrná a spolehlivá disperze v matrici. Ultrazvukové dispergátory se široce používají k dispergaci nanomateriálů, jako jsou CNTs, kovové nanočástice, částice typu jádro-obal a další typy nanočástic, do druhé fáze.
Ultrazvuková disperze byla úspěšně použita k rozmotání a rovnoměrné distribuci BNNTs ve vodných i nevodných roztocích, včetně ethanolu, PVP ethanolu, TX100 ethanolu a také různých polymerů (např. polyuretanu).
Běžně používanou povrchově aktivní látkou ke stabilizaci ultrazvukem připravené disperze BNNTs je 1%wt roztok dodecylsíranu sodného (SDS). Například 5 mg BNNTs se ultrazvukem disperguje v lahvičce s 5 mL 1%wt. roztoku SDS pomocí ultrazvukového dispergátoru sondového typu, jako je UP200St (26kHz, 200W).

Vodná disperze BNNTs pomocí ultrazvuku

Kvůli silným van der Waalsovým interakcím a hydrofobnímu povrchu jsou nanotrubice nitridu boru ve vodných roztocích špatně dispergovatelné. K vyřešení těchto problémů použili Jeon et al. (2019) Pluronic P85 a F127, které obsahují hydrofilní i hydrofobní skupiny, k funkcionalizaci BNNT za sonikace.

Exfoliace nanovrstev nitridu boru bez povrchově aktivních látek pomocí sonikace

Lin et al. (2011) představují čistou metodu exfoliace a disperze hexagonálního nitridu boru (h-BN). Hexagonální nitrid boru je tradičně považován za nerozpustný ve vodě. Autorům se však podařilo prokázat, že voda je účinná při exfoliaci vrstevnatých struktur h-BN pomocí ultrasonikace, přičemž vznikají „čisté“ vodné disperze nanovrstev h-BN bez použití povrchově aktivních látek nebo organické funkcionalizace. Tento proces ultrazvukové exfoliace poskytl nanovrstvy h-BN o několika vrstvách i jednovrstvé nanovrstvy a nanopásky. Většina nanovrstev měla zmenšené laterální rozměry, což bylo přičteno štěpení původních vrstev h-BN vyvolanému hydrolýzou podporovanou sonikací (potvrzeno amoniakovým testem a výsledky spektroskopie). Ultrazvukem vyvolaná hydrolýza rovněž podpořila exfoliaci nanovrstev h-BN spolu s efektem polarity rozpouštědla. Nanovrstvy h-BN v těchto „čistých“ vodných disperzích vykazovaly dobrou zpracovatelnost roztokovými metodami při zachování svých fyzikálních vlastností. Dispergované nanovrstvy h-BN ve vodě rovněž vykazovaly silnou afinitu k proteinům, jako je feritin, což naznačuje, že povrchy nanovrstev byly dostupné pro další biokonjugace.

Sonomechanická disperzní metoda využívající ultrazvukovou kavitaci a smykové síly je čistě fyzikální přístup k míchání, u něhož bylo prokázáno, že dokáže rozvolnit svazky BNNTs a stabilizovat jednotlivé BNNTs při zachování jejich integrity a vnitřních vlastností. Při použití vhodné ultrazvukové energie (Ws/mL), tj. upravené amplitudy a doby sonikace, může ultrazvuková disperze BNNTS rovnoměrně rozmotat a dispergovat. Pokud má být délka nanotrubic nitridu boru zkrácena, lze použít vyšší amplitudy a delší sonikaci. Více o ultrazvukovém zmenšování velikosti a řezání BNNTs na kratší délku se dočtete v další části.

Ultrazvukové zmenšování velikosti a řezání nanotrubic nitridu boru

Délka nanotrubic nitridu boru hraje zásadní roli při následném zpracování BNNTs do polymerů a dalších funkcionalizovaných materiálů. Proto je důležitým faktem, že sonikace BNNTs v rozpouštědle dokáže nejen oddělit jednotlivé BNNTs, ale za řízených podmínek také zkrátit BNNTs s bambusovou strukturou. Zkrácené BNNTs mají při přípravě kompozitů mnohem nižší pravděpodobnost tvorby svazků. Lee at al. (2012) prokázali, že délku funkcionalizovaných BNNTs lze ultrasonikací účinně zkrátit z >10µm na ∼500nm. Jejich experimenty naznačují, že pro takové zmenšování velikosti a řezání BNNT je nezbytná účinná ultrazvuková disperze BNNT v roztoku.

Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro zpracování BNNTs

Chytré funkce ultrazvukových přístrojů Hielscher jsou navrženy tak, aby zaručovaly spolehlivý provoz, reprodukovatelné výsledky a uživatelskou přívětivost. Provozní nastavení lze snadno zobrazit a nastavit prostřednictvím intuitivního menu, které je přístupné přes digitální barevný dotykový displej a dálkové ovládání v prohlížeči. Proto se všechny procesní podmínky, jako je čistá energie, celková energie, amplituda, čas, tlak a teplota, automaticky zaznamenávají na vestavěnou SD kartu. To vám umožňuje revidovat a porovnávat předchozí běhy sonikace a optimalizovat proces exfoliace a disperze nanotrubic nitridu boru a nanomateriálů na nejvyšší účinnost.
Systémy Hielscher Ultrasonics se po celém světě používají k výrobě vysoce kvalitních BNNTs. Průmyslové ultrazvukové přístroje Hielscher dokážou snadno pracovat s vysokými amplitudami v nepřetržitém provozu (24/7/365). Amplitudy až 200µm lze se standardními sonotrodami (ultrazvukovými sondami / sonotrodami) snadno generovat nepřetržitě. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody. Díky své robustnosti a nízké náročnosti na údržbu se naše ultrazvukové systémy pro exfoliaci a disperzi běžně instalují pro aplikace s vysokým zatížením a do náročných prostředí.
Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno nepřetržitě provozovat v režimu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody.
Ultrazvukové procesory Hielscher pro disperzi a exfoliaci nanotrubic nitridu boru, jakož i CNTs a grafenu jsou již instalovány po celém světě v komerčním měřítku. Kontaktujte nás nyní a proberte s námi svůj výrobní proces BNNTs! Naši zkušení pracovníci vám rádi poskytnou více informací o procesu exfoliace, ultrazvukových systémech a cenách!
Níže uvedená tabulka vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů: