Bornitridnanorør – eksfolieret og dispergeret ved hjælp af sonikering

Sonikering anvendes med succes til behandling og dispergering af bornitridnanorør (BNNTs). Sonikering med høj intensitet sikrer ensartet udredning og fordeling i forskellige opløsninger og er dermed en afgørende behandlingsteknik til at inkorporere BNNTs i opløsninger og matricer.

Ultralydsbehandling af bornitridnanorør

For at inkorporere bornitridnanorør (BNNTs) eller bornitridnanostrukturer (BNNs) såsom nanoark og nanobånd i flydende opløsninger eller polymermatricer kræves en effektiv og pålidelig dispergeringsteknik. Ultralydsdispergering tilfører den nødvendige energi til at eksfoliere, udrede, dispergere og funktionalisere bornitridnanorør og bornitridnanostrukturer med høj effektivitet. De præcist styrbare behandlingsparametre for ultralyd med høj intensitet (dvs. energi, amplitude, tid, temperatur og tryk) gør det muligt at tilpasse behandlingsbetingelserne individuelt til det tilsigtede procesmål. Det betyder, at ultralydsintensiteten kan justeres i forhold til den specifikke formulering (BNNTs’ kvalitet, opløsningsmiddel, koncentrationsforhold mellem fast stof og væske osv.), hvorved der opnås optimale resultater.

Anvendelserne af ultralydsbehandling af BNNTs og BNNs dækker hele spektret fra homogen dispergering af todimensionelle bornitridnanostrukturer (2D-BNNs) til deres funktionalisering og kemisk eksfoliering af enkeltlaget hexagonalt bornitrid. Nedenfor præsenterer vi detaljerne om ultralydsdispergering, eksfoliering og funktionalisering af BNNTs og BNNs.

Ultralydsdispergering af bornitridnanorør

Når bornitridnanorør (BNNTs) anvendes til at forstærke polymerer eller syntetisere nye materialer, kræves en ensartet og pålidelig dispergering i matricen. Ultralydsdispergeringsapparater anvendes i vid udstrækning til at dispergere nanomaterialer såsom CNTs, metalliske nanopartikler, kerne-skal-partikler og andre typer nanopartikler i en anden fase.
Ultralydsdispergering er med succes blevet anvendt til at udrede og fordele BNNTs ensartet i vandige og ikke-vandige opløsninger, herunder ethanol, ethanol med PVP, ethanol med TX100 samt forskellige polymerer (f.eks. polyurethan).
Et almindeligt anvendt overfladeaktivt stof til stabilisering af en BNNT-dispersion fremstillet ved hjælp af ultralyd er en 1%wt opløsning af natriumdodecylsulfat (SDS). For eksempel dispergeres 5 mg BNNTs ved hjælp af ultralyd i et hætteglas med 5 mL 1%wt. SDS-opløsning ved hjælp af et ultralydsdispergeringsapparat af sondetypen såsom UP200St (26kHz, 200W).

Vandig dispergering af BNNTs ved hjælp af ultralyd

På grund af deres stærke van der Waals-interaktioner og hydrofobe overflade er bornitridnanorør vanskelige at dispergere i vandbaserede opløsninger. For at løse disse problemer anvendte Jeon et al. (2019) Pluronic P85 og F127, som har både hydrofile og hydrofobe grupper, til at funktionalisere BNNT under sonikering.

Eksfoliering af bornitridnanoark uden overfladeaktive stoffer ved hjælp af sonikering

Lin et al. (2011) præsenterer en ren metode til eksfoliering og dispergering af hexagonalt bornitrid (h-BN). Hexagonalt bornitrid betragtes traditionelt som uopløseligt i vand. De kunne dog påvise, at vand er effektivt til at eksfoliere de lagdelte h-BN-strukturer ved hjælp af sonikering, hvorved der dannes “rene” vandige dispersioner af h-BN-nanoark uden brug af overfladeaktive stoffer eller organisk funktionalisering. Denne ultralydsbaserede eksfolieringsproces frembragte h-BN-nanoark med få lag samt enkeltlagede nanoark- og nanobåndsformer. De fleste nanoark havde reducerede laterale dimensioner, hvilket blev tilskrevet opskæring af de oprindelige h-BN-ark fremkaldt af den sonikeringsassisterede hydrolyse (underbygget af ammoniaktesten og spektroskopiresultaterne). Den ultralydsinducerede hydrolyse fremmede også eksfolieringen af h-BN-nanoark som supplement til opløsningsmidlets polaritetseffekt. h-BN-nanoarkene i disse “rene” vandige dispersioner udviste god bearbejdelighed ved opløsningsbaserede metoder og bevarede deres fysiske egenskaber. De dispergerede h-BN-nanoark i vand udviste også stærk affinitet til proteiner såsom ferritin, hvilket tyder på, at nanoarkenes overflader var tilgængelige for yderligere biokonjugering.

Den sonomekaniske dispergeringsmetode, der anvender ultralydskavitation og forskydningskræfter, er en rent fysisk blandingsmetode, som har vist sig at kunne adskille bundter af BNNTs og stabilisere individuelle BNNTs, samtidig med at deres integritet og iboende egenskaber bevares. Ved tilførsel af passende ultralydsenergi (Ws/mL), dvs. med tilpasset amplitude og sonikeringstid, kan ultralydsdispergering udrede og dispergere BNNTS ensartet. Højere amplituder og længere sonikering kan anvendes, hvis bornitridnanorørenes længde skal reduceres. Læs mere om ultralydsbaseret størrelsesreduktion og afkortning af BNNTs i næste afsnit.

Ultralydsbaseret størrelsesreduktion og opskæring af bornitridnanorør

Bornitridnanorørenes længde spiller en afgørende rolle i den efterfølgende forarbejdning af BNNTs til polymerer og andre funktionaliserede materialer. Det er derfor et vigtigt forhold, at sonikering af BNNTs i et opløsningsmiddel ikke blot kunne adskille BNNTs enkeltvis, men også forkorte de bambusstrukturerede BNNTs under kontrollerede betingelser. De forkortede BNNTs har en langt lavere sandsynlighed for at danne bundter under fremstilling af kompositter. Lee at al. (2012) påviste, at længden af funktionaliserede BNNTs effektivt kan reduceres fra >10µm til ∼500nm ved sonikering. Deres forsøg tyder på, at effektiv ultralydsdispergering af BNNT i opløsning er nødvendig for en sådan størrelsesreduktion og opskæring af BNNT.

Højtydende ultralydsapparater til behandling af BNNTs

De smarte funktioner i Hielschers ultralydsapparater er designet til at garantere pålidelig drift, reproducerbare resultater og brugervenlighed. Driftsindstillinger kan nemt tilgås og justeres via en intuitiv menu, som kan tilgås via en digital farveberøringsskærm og fjernstyring via browser. Derfor registreres alle behandlingsbetingelser såsom nettoenergi, samlet energi, amplitude, tid, tryk og temperatur automatisk på et indbygget SD-kort. Dette giver dig mulighed for at gennemgå og sammenligne tidligere sonikeringskørsler og optimere eksfolierings- og dispergeringsprocessen for bornitridnanorør og nanomaterialer til den højeste effektivitet.
Systemer fra Hielscher Ultrasonics anvendes over hele verden til fremstilling af BNNTs af høj kvalitet. Hielschers industrielle ultralydsapparater kan nemt arbejde med høje amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på op til 200µm kan nemt genereres kontinuerligt med standardsonotroder (ultralydssonder / horn). Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder. På grund af deres robusthed og lave vedligeholdelsesbehov installeres vores ultralydssystemer til eksfoliering og dispergering ofte til krævende anvendelser og i krævende miljøer.
De industrielle ultralydsprocessorer fra Hielscher Ultrasonics kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder.
Hielschers ultralydsprocessorer til dispergering og eksfoliering af bornitridnanorør samt CNTs og grafen er allerede installeret over hele verden i kommerciel skala. Kontakt os nu for at drøfte din proces til fremstilling af BNNTs! Vores meget erfarne medarbejdere deler gerne flere oplysninger om eksfolieringsprocessen, ultralydssystemer og priser!
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: