Bornitrid-Nanoröhrchen – Exfolieren und Dispergieren mittels Ultraschall

Die Ultraschallbehandlung wird erfolgreich zur Verarbeitung und Dispersion von Bornitrid-Nanoröhren (BNNTs) eingesetzt. Die hochintensive Beschallung sorgt für eine homogene Zerkleinerung und Verteilung in verschiedenen Lösungen und ist damit eine entscheidende Verarbeitungstechnik, um BNNTs in Lösungen und Polymermatrix-Verbundwerkstoffe einzubringen.

Ultraschallbearbeitung von Bornitrid-Nanoröhrchen

Um Bornitrid-Nanoröhren (engl. Boron Nitride Nanotubes BNNTs) oder Bornitrid-Nanostrukturen (BNNs) wie Nanosheets und Nanoribbons in flüssige Lösungen oder polymere Matrizes einzubringen, ist eine effiziente und zuverlässige Dispersionstechnik erforderlich. Die Ultraschall-Dispergierung liefert die notwendige Energie, um Bornitrid-Nanoröhren und Bornitrid-Nanostrukturen mit hoher Effizienz zu exfolieren, zu dispergieren und zu funktionalisieren. Die präzise regulierbaren Prozessparameter des hochintensiven Ultraschalls (d.h. Energie, Amplitude, Zeit, Temperatur und Druck) erlauben eine individuelle Anpassung der Prozessbedingungen an das angestrebte Prozessziel. Das bedeutet, dass die Ultraschallintensität auf die spezifische Formulierung (Qualität der BNNTs, Lösungsmittel, Fest-Flüssig-Konzentration etc.) angepasst werden kann, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Boron nitride nanotubes (BNNTs) can be synthesized using sonication

Ultraschall-gestützte Synthese von Bornitrid-Nanocups
(Studie und Grafik: Yu et al. 2012)

Die Anwendungen der ultraschall-gestützten BNNT- und BNN-Verarbeitung reichen von der homogenen Dispersion von zweidimensionalen Bornitrid-Nanostrukturen (2D-BNNs) über deren Funktionalisierung bis hin zur chemischen Exfolierung von einschichtigem hexagonalem Bornitrid. Im Folgenden werden Details zur ultraschall-gestützten Dispersion, Exfoliation und Funktionalisierung von BNNTs und BNNs vorgestellt.

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Dispersion of boron nitride nanotubes using high-intensity ultrasonicators from Hielscher Ultrasonics

Installation von Ultraschall-Dispergierern (2x UIP1000hdT) zur Verarbeitung von Bornitrid-Nanoröhrchen im industriellen Maßstab

Ultraschall-Dispergierung von Bornitrid-Nanoröhrchen

Wenn Bornitrid-Nanotubes (BNNTs) zur Verstärkung von Polymeren oder zur Synthese neuartiger Materialien verwendet werden, ist eine gleichmäßige und zuverlässige Dispersion in die Matrix erforderlich. Ultraschall-Dispergierer werden häufig eingesetzt, um Nanomaterialien wie CNTs, metallische Nanopartikel, Core-Shell-Partikel und andere Arten von Nanopartikeln in eine zweite Phase zu dispergieren.
Die Ultraschall-Dispergierung wurde erfolgreich angewandt, um BNNTs in wässrigen und nicht-wässrigen Lösungen wie Ethanol, PVP-Ethanol, TX100-Ethanol sowie in verschiedenen Polymeren (z.B. Polyurethan) zu dispergieren und gleichmäßig zu verteilen.
Ein häufig verwendetes Tensid zur Stabilisierung einer mittels Ultraschall hergestellten BNNT-Dispersion ist die 1%ige Natriumdodecylsulfat (SDS)-Lösung. So werden z.B. 5mg BNNTs in einem Fläschchen mit 5 mL 1 Gew.-% SDS-Lösung mit einem Ultraschalldispergator mit Sonotrode dispersgiert (z.B. UP200St (26kHz, 200W).

Wässrige BNNT-Dispersion mittels Ultraschall

Aufgrund ihrer starken van-der-Waals-Wechselwirkungen und der hydrophoben Oberfläche sind Bornitrid-Nanoröhren in wässrigen Lösungen schlecht dispergierbar. Um dieses Problem zu lösen, verwendeten Jeon et al. (2019) die Triblock Copolymere Pluronic P85 und F127, die sowohl hydrophile Gruppen als auch hydrophobe Gruppen besitzen, um damit BNNT unter Ultraschall zu funktionalisieren.

Length reduction and cutting of boron nitride nanotubes (BNNTs) by high-intensity ultrasonication

SEM-Aufnahmen von verkürzten BNNTs nach verschiedenen Ultraschall-Verarbeitungszeiten. Es ist ersichtlich, dass die Länge der BNNTs mit der zunehmender Beschallungsdauer abnimmt.
(Studie und Bild: Lee et al. 2012)

Tensidfreie Exfolierung von Bornitrid-Nanoblättern mittels Ultraschall

Lin et al. (2011) präsentieren eine saubere Methode zur Exfoliation und Dispersion von hexagonalem Bornitrid (h-BN). Hexagonales Bornitrid gilt traditionell als unlöslich in Wasser. Das Forscherteam konnte jedoch zeigen, dass Wasser die geschichteten h-BN-Strukturen mit Hilfe von Ultraschall effektiv exfoliert und dadurch "saubere" wässrige Dispersionen von h-BN-Nanoblättern ohne den Einsatz von Tensiden oder organischer Funktionalisierung hergestellt werden können. Dieser Ultraschall-Exfoliationsprozess produzierte sowohl geschichtete h-BN-Nanoblätter mit nur wenigen Lagen als auch einlagige Nanosheet- und Nanoribbon-Spezies. Die meisten Nanosheets wiesen eine reduzierte laterale Größen auf, was auf eine Kürzung der ursprünglichen h-BN-Sheets durch die Ultraschall-unterstützte Hydrolyse zurückgeführt wurde (bestätigt durch den Ammoniak-Test und die Spektroskopieergebnisse). Die ultraschall-induzierte Hydrolyse förderte zudem die Exfoliation der h-BN-Nanosheets in Kombination mit dem Polaritätseffekt des Lösungsmittels. Die h-BN-Nanosheets in diesen "sauberen" wässrigen Dispersionen zeigten eine gute Verarbeitbarkeit via Lösungsverfahren unter Beibehaltung ihrer physikalischen Eigenschaften. Die dispergierten h-BN-Nanoblätter in Wasser zeigten auch eine starke Affinität zu Proteinen wie Ferritin, was darauf hindeutet, dass die Nanoblatt-Oberflächen für weitere Bio-Konjugationen zur Verfügung stehen.

Ultraschall-Nanodispergierung mit dem Ultrasonicator UP400St

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Die sonomechanische Dispersionsmethode mit Ultraschallkavitation und Scherkräften ist ein rein physikalisches Dispersionsverfahren, das nachweislich in der Lage ist, BNNTs zu entwirren und einzeln dispergierte BNNTs zu stabilisieren. Die Ultraschalldispersion hatte dabei keine negative Auswirkung auf die Integrität und die intrinsischen Eigenschaften der BNNTs. Wird Ultraschallenergie (Ws/mL) mit der passenden Intensität eingetragen, d.h. mit entsprechender Amplitude und Beschallungsdauer, kann die Ultraschalldispergierung BNNTS gleichmäßig entwirren und dispergieren. Höhere Amplituden und längere Beschallung können angewendet werden, wenn die Länge der Bornitrid-Nanoröhrchen reduziert werden soll. Lesen Sie mehr über die Ultraschall-Zerkleinerung und das Ablängen von BNNTs im nächsten Abschnitt.

Zerkleinern von Bornitrid-Nanotubes mittels Ultraschall

Die Länge der Bornitrid-Nanoröhrchen spielt eine entscheidende Rolle, wenn es um die anschließende Verarbeitung der BNNTs zu Polymeren und anderen funktionalisierten Materialien geht. Daher ist es eine wichtige Tatsache, dass die Beschallung der BNNTs in Lösungsmittel nicht nur einzelne BNNTs abtrennen, sondern auch die bambusstrukturierten BNNTs unter kontrollierten Bedingungen verkürzen konnte. Die verkürzten BNNTs weisen eine deutlich geringere Tendenz auf, während der Kompositherstellung zu agglomerieren. Lee at al. (2012) zeigten, dass die Länge der funktionalisierten BNNTs durch Ultraschallbehandlung effizient von >10µm auf ∼500nm verkürzt werden kann. Die wissenschaftlichen Experimente lassen darauf schließen, dass eine effektive Ultraschall-Dispersion von BNNTs in einer Lösung für eine solche Verkürzung der BNNTs notwendig ist.

Boron nitride nanotubes can be efficiently dispersed and reduced in length using high-intensity ultrasonication

(c) Gut dispergierte mPEG-DSPE/BNNTs in Wasser (nach 2hr Beschallung). (d) Schematische Darstellung eines durch ein mPEG-DSPE-Molekül funktionalisierten BNNTs.
(Studie und Bild: Lee et al. 2012)

Ultrasonic dispersion is a well established technique to disperse and exfoliate boron nitride nanotubes.

Ultraschallhomogenisator UP400St für die Dispersion von Bornitrid-Nanoröhrchen (BNNTs)

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Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die BNNT-Bearbeitung

Die intelligenten Funktionen der Hielscher Ultraschallgeräte sind so konzipiert, dass sie einen zuverlässigen Betrieb, reproduzierbare Ergebnisse und eine hohe Benutzerfreundlichkeit garantieren. Die Betriebseinstellungen lassen sich über ein intuitives Menü, das über ein digitales Farb-Touch-Display und eine Browser-Fernbedienung zugänglich ist, einfach aufrufen und anwählen. Dabei werden alle Prozessbedingungen wie Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zeit, Druck und Temperatur automatisch auf einer eingebauten SD-Karte aufgezeichnet. Dies ermöglicht Ihnen, frühere Beschallungsläufe zu revidieren und zu vergleichen und den Exfoliations- bzw. Dispersionsprozess von Bor-Nitrid-Nanotubes und anderen Nanomaterialien auf höchste Effizienz zu optimieren.
Hielscher Ultrasonics Systeme werden weltweit zur Herstellung von hochwertigen BNNTs eingesetzt. Hielscher Industrie-Ultraschallgeräte können problemlos hohe Amplituden im Dauerbetrieb (24/7/365) fahren. Mit Standard-Sonotroden (auch Ultraschallhörner oder Ultraschallstäbe genannt) können Amplituden bis zu 200µm problemlos kontinuierlich erzeugt werden. Für noch höhere Amplituden stehen kundenspezifische Ultraschallsonotroden zur Verfügung. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres geringen Wartungsaufwands werden unsere Ultraschall-Exfolier- und Dispergiersysteme häufig für Hochleistungsanwendungen und in anspruchsvollen Umgebungen installiert.
Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7/365-Betrieb kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich.
Hielscher Ultraschall-Prozessoren für die Dispergierung und Exfoliation von Bornitrid-Nanoröhrchen sowie CNTs und Graphen sind bereits weltweit im kommerziellen Maßstab installiert. Kontaktieren Sie uns jetzt, um Ihren BNNT-Herstellungsprozess mit uns zu besprechen! Unsere erfahrenen Mitarbeiter geben Ihnen gerne weitere Informationen über den Exfoliations- und Dispergierprozess, die Ultraschallsysteme sowie Preisinformationen!
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.

Literatur / Literaturhinweise



Wissenswertes

Bornitrid-Nanoröhrchen und Nanomaterialien

Bornitrid-Nanoröhren (engl. boron nitride nanotubes; BNNTs)weisen eine einzigartige atomare Struktur auf, welche aus Bor- und Stickstoffatomen besteht, die in einem hexagonalen Netzwerk angeordnet sind. Diese Struktur verleiht BNNT zahlreiche hervorragende intrinsische Eigenschaften wie z.B. hervorragende mechanische Festigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, elektrisch isolierendes Verhalten, piezoelektrische Eigenschaft, Neutronenabschirmung und Oxidationsbeständigkeit. Die 5 eV-Bandlücke kann auch durch transversale elektrische Felder angepasst werden, was BNNTs für elektronische Geräte interessant macht. Zusätzlich haben BNNTs eine hohe Oxidationsbeständigkeit bis zu 800°C, zeigen eine ausgezeichnete Piezoelektrizität und könnten daher ein gutes Wasserstoffspeichermaterial bei Raumtemperatur sein.

BNNTs vs. Graphen: BNNTs sind die strukturellen Analoga zu Graphen. Der Hauptunterschied zwischen Nanomaterialien auf Bornitridbasis und ihren Gegenstücken auf Kohlenstoffbasis ist die Art der Bindungen zwischen den Atomen. Die Bindung C-C in Kohlenstoff-Nanomaterialien hat einen rein kovalenten Charakter, während B-N-Bindungen aufgrund der e-Paare im sp2-hybridisierten B-N einen teilweise ionischen Charakter aufweisen. (vgl. Emanet et al. 2019)

BNNTs vs. Kohlenstoff-Nanoröhren: Bornitrid-Nanoröhren (BNNTs) weisen eine ähnliche röhrenförmige Nanostruktur auf wie Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs), bei denen Bor- und Stickstoffatome in einem hexagonalen Netzwerk angeordnet sind.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.