Νανοσωλήνες νιτριδίου του βορίου – Απολέπιση και διασπορά με κατεργασία με υπερήχους
Η κατεργασία με υπερήχους εφαρμόζεται με επιτυχία στην επεξεργασία και τη διασπορά νανοσωλήνων νιτριδίου του βορίου (BNNTs). Η κατεργασία με υπερήχους υψηλής έντασης εξασφαλίζει ομοιόμορφη απεμπλοκή και κατανομή σε διάφορα διαλύματα και αποτελεί επομένως κρίσιμη τεχνική επεξεργασίας για την ενσωμάτωση των BNNTs σε διαλύματα και μήτρες.
Επεξεργασία νανοσωλήνων νιτριδίου του βορίου με υπερήχους
Για την ενσωμάτωση νανοσωλήνων νιτριδίου του βορίου (BNNTs) ή νανοδομών νιτριδίου του βορίου (BNNs), όπως νανοφύλλα και νανοταινίες, σε υγρά διαλύματα ή πολυμερικές μήτρες, απαιτείται μια αποτελεσματική και αξιόπιστη τεχνική διασποράς. Η διασπορά με υπερήχους παρέχει την απαιτούμενη ενέργεια για την απολέπιση, την απεμπλοκή, τη διασπορά και τη λειτουργικοποίηση νανοσωλήνων νιτριδίου του βορίου και νανοδομών νιτριδίου του βορίου με υψηλή απόδοση. Οι παράμετροι επεξεργασίας με υπερήχους υψηλής έντασης, οι οποίες μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια (δηλ. ενέργεια, πλάτος, χρόνος, θερμοκρασία και πίεση), επιτρέπουν την εξατομικευμένη προσαρμογή των συνθηκών επεξεργασίας στον επιδιωκόμενο στόχο της διεργασίας. Αυτό σημαίνει ότι η ένταση των υπερήχων μπορεί να προσαρμοστεί ανάλογα με τη συγκεκριμένη σύνθεση (ποιότητα των BNNTs, διαλύτης, συγκέντρωση στερεού σε υγρό κ.λπ.), επιτυγχάνοντας έτσι βέλτιστα αποτελέσματα.
Μέθοδος σύνθεσης νανοκυπέλλων νιτριδίου του βορίου με υπερήχους
(μελέτη και γραφική απεικόνιση: Yu et al. 2012)
Οι εφαρμογές της επεξεργασίας των BNNTs και BNNs με υπερήχους καλύπτουν ολόκληρο το φάσμα από την ομοιογενή διασπορά δισδιάστατων νανοδομών νιτριδίου του βορίου (2D-BNNs) έως τη λειτουργικοποίησή τους και τη χημική απολέπιση μονοστρωματικού εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου. Παρακάτω παρουσιάζουμε λεπτομέρειες σχετικά με τη διασπορά, την απολέπιση και τη λειτουργικοποίηση των BNNTs και BNNs με υπερήχους.
Εγκατάσταση διασπορέων υπερήχων (2x UIP1000hdT) για την επεξεργασία νανοσωλήνων νιτριδίου του βορίου σε βιομηχανική κλίμακα
Διασπορά νανοσωλήνων νιτριδίου του βορίου με υπερήχους
Όταν οι νανοσωλήνες νιτριδίου του βορίου (BNNTs) χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση πολυμερών ή τη σύνθεση νέων υλικών, απαιτείται ομοιόμορφη και αξιόπιστη διασπορά στη μήτρα. Οι διασπορείς υπερήχων χρησιμοποιούνται ευρέως για τη διασπορά νανοϋλικών, όπως CNTs, μεταλλικών νανοσωματιδίων, σωματιδίων πυρήνα–κελύφους και άλλων τύπων νανοσωματιδίων, σε μια δεύτερη φάση.
Η διασπορά με υπερήχους έχει εφαρμοστεί με επιτυχία για την απεμπλοκή και την ομοιόμορφη κατανομή των BNNTs σε υδατικά και μη υδατικά διαλύματα, συμπεριλαμβανομένων της αιθανόλης, της αιθανόλης με PVP, της αιθανόλης με TX100, καθώς και διαφόρων πολυμερών (π.χ. πολυουρεθάνης).
Ένα συχνά χρησιμοποιούμενο επιφανειοδραστικό μέσο για τη σταθεροποίηση μιας διασποράς BNNTs που παρασκευάζεται με υπερήχους είναι ένα διάλυμα δωδεκυλοθειικού νατρίου (SDS) 1%wt. Για παράδειγμα, 5 mg BNNTs διασπείρονται με υπερήχους σε φιαλίδιο με 5 mL διαλύματος SDS 1%wt. με τη χρήση διασπορέα υπερήχων τύπου καθετήρα, όπως ο UP200St (26kHz, 200W).
Υδατική διασπορά των BNNTs με χρήση υπερήχων
Λόγω των ισχυρών αλληλεπιδράσεων van der Waals και της υδρόφοβης επιφάνειάς τους, οι νανοσωλήνες νιτριδίου του βορίου διασπείρονται δύσκολα σε διαλύματα με βάση το νερό. Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων, οι Jeon et al. (2019) χρησιμοποίησαν Pluronic P85 και F127, τα οποία διαθέτουν τόσο υδρόφιλες όσο και υδρόφοβες ομάδες, για τη λειτουργικοποίηση των BNNTs κατά την κατεργασία με υπερήχους.
Εικόνες SEM νανοσωλήνων BNNTs με μειωμένο μήκος μετά από διάφορες διάρκειες κατεργασίας με υπερήχους. Όπως φαίνεται, τα μήκη αυτών των BNNTs μειώνονται όσο αυξάνεται η αθροιστική διάρκεια κατεργασίας με υπερήχους.
(μελέτη και εικόνα: Lee et al. 2012)
Απολέπιση νανοφύλλων νιτριδίου του βορίου χωρίς επιφανειοδραστικά μέσα με κατεργασία με υπερήχους
Οι Lin et al. (2011) παρουσιάζουν μια καθαρή μέθοδο απολέπισης και διασποράς του εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου (h-BN). Το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου θεωρείται παραδοσιακά αδιάλυτο στο νερό. Ωστόσο, κατάφεραν να αποδείξουν ότι το νερό είναι αποτελεσματικό για την απολέπιση των στρωματικών δομών h-BN με κατεργασία με υπερήχους, σχηματίζοντας «καθαρές» υδατικές διασπορές νανοφύλλων h-BN χωρίς τη χρήση επιφανειοδραστικών ουσιών ή οργανικής λειτουργικοποίησης. Αυτή η διαδικασία απολέπισης με υπερήχους παρήγαγε νανοφύλλα h-BN λίγων στρώσεων, καθώς και μονοστρωματικές μορφές νανοφύλλων και νανοταινιών. Τα περισσότερα νανοφύλλα είχαν μειωμένες πλευρικές διαστάσεις, γεγονός που αποδόθηκε στην κοπή των αρχικών φύλλων h-BN λόγω της υδρόλυσης που υποβοηθείται από την κατεργασία με υπερήχους (όπως επιβεβαιώθηκε από τη δοκιμή αμμωνίας και τα αποτελέσματα φασματοσκοπίας). Η υδρόλυση που προκλήθηκε από τους υπερήχους προήγαγε επίσης την απολέπιση των νανοφύλλων h-BN, ενισχύοντας την επίδραση της πολικότητας του διαλύτη. Τα νανοφύλλα h-BN σε αυτές τις «καθαρές» υδατικές διασπορές παρουσίασαν καλή δυνατότητα επεξεργασίας με μεθόδους διαλύματος, διατηρώντας τα φυσικά χαρακτηριστικά τους. Τα νανοφύλλα h-BN που διασπάρθηκαν στο νερό παρουσίασαν επίσης ισχυρή συγγένεια προς πρωτεΐνες όπως η φερριτίνη, υποδηλώνοντας ότι οι επιφάνειες των νανοφύλλων ήταν διαθέσιμες για περαιτέρω βιοσύζευξη.
Μείωση μεγέθους και κοπή νανοσωλήνων νιτριδίου του βορίου με υπερήχους
Το μήκος των νανοσωλήνων νιτριδίου του βορίου παίζει καθοριστικό ρόλο στη μετέπειτα επεξεργασία των BNNTs για την ενσωμάτωσή τους σε πολυμερή και άλλα λειτουργικοποιημένα υλικά. Επομένως, είναι σημαντικό το γεγονός ότι η κατεργασία των BNNTs με υπερήχους σε διαλύτη θα μπορούσε όχι μόνο να διαχωρίσει μεμονωμένα τους BNNTs, αλλά και να μειώσει το μήκος των BNNTs με δομή τύπου μπαμπού υπό ελεγχόμενες συνθήκες. Οι BNNTs μειωμένου μήκους έχουν πολύ μικρότερη πιθανότητα να σχηματίσουν δεσμίδες κατά την παρασκευή σύνθετων υλικών. Οι Lee at al. (2012) απέδειξαν ότι το μήκος των λειτουργικοποιημένων BNNTs μπορεί να μειωθεί αποτελεσματικά από >10µm σε ∼500nm με κατεργασία με υπερήχους. Τα πειράματά τους υποδηλώνουν ότι η αποτελεσματική διασπορά των BNNT σε διάλυμα με υπερήχους είναι απαραίτητη για μια τέτοια μείωση μεγέθους και κοπή των BNNT.
(c) Καλά διασπαρμένα mPEG- DSPE/BNNTs σε νερό (μετά από 2 h κατεργασίας με υπερήχους). (d) Σχηματική αναπαράσταση ενός BNNT λειτουργικοποιημένου με ένα μόριο mPEG-DSPE
(μελέτη και εικόνα: Lee et al. 2012)
Ομογενοποιητής υπερήχων UP400St για τη διασπορά νανοσωλήνων νιτριδίου του βορίου (BNNTs)
Συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την επεξεργασία BNNT
Οι έξυπνες λειτουργίες των συσκευών υπερήχων της Hielscher έχουν σχεδιαστεί ώστε να εγγυώνται αξιόπιστη λειτουργία, αναπαραγώγιμα αποτελέσματα και ευχρηστία. Οι ρυθμίσεις λειτουργίας είναι εύκολα προσβάσιμες και μπορούν να προσαρμοστούν μέσω ενός εύχρηστου μενού, στο οποίο παρέχεται πρόσβαση μέσω ψηφιακής έγχρωμης οθόνης αφής και τηλεχειρισμού μέσω προγράμματος περιήγησης. Έτσι, όλες οι συνθήκες επεξεργασίας, όπως η καθαρή ενέργεια, η συνολική ενέργεια, το πλάτος ταλάντωσης, ο χρόνος, η πίεση και η θερμοκρασία, καταγράφονται αυτόματα σε μια ενσωματωμένη κάρτα SD. Αυτό σας επιτρέπει να επανεξετάζετε και να συγκρίνετε προηγούμενους κύκλους κατεργασίας με υπερήχους και να βελτιστοποιείτε τη διαδικασία απολέπισης και διασποράς νανοσωλήνων και νανοϋλικών νιτριδίου του βορίου για τη μέγιστη απόδοση.
Τα συστήματα της Hielscher Ultrasonics χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για την παραγωγή BNNTs υψηλής ποιότητας. Οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων της Hielscher μπορούν εύκολα να λειτουργούν με υψηλά πλάτη ταλάντωσης σε συνεχή λειτουργία (24/7/365). Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να παράγονται συνεχώς με τυπικά ηχοτρόδια (ακροδέκτες / κέρατα υπερήχων). Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ηχοτρόδια υπερήχων προσαρμοσμένα στις απαιτήσεις σας. Χάρη στη στιβαρότητα και στις χαμηλές απαιτήσεις συντήρησής τους, τα συστήματά μας απολέπισης και διασποράς με υπερήχους εγκαθίστανται συχνά για εφαρμογές βαρέος τύπου και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ηχοτρόδια υπερήχων προσαρμοσμένα στις απαιτήσεις σας.
Οι επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher για τη διασπορά και την απολέπιση νανοσωλήνων νιτριδίου του βορίου, καθώς και CNTs και γραφενίου, είναι ήδη εγκατεστημένοι παγκοσμίως σε εμπορική κλίμακα. Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να συζητήσουμε τη διαδικασία παραγωγής BNNTs που εφαρμόζετε! Το ιδιαίτερα έμπειρο προσωπικό μας θα χαρεί να σας δώσει περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τη διαδικασία απολέπισης, τα συστήματα υπερήχων και τις τιμές!
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλής απόδοσης για εφαρμογές ανάμειξης, διασποράς, γαλακτωματοποίησης και εκχύλισης σε εργαστηριακή, πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- Sang-Woo Jeon, Shin-Hyun Kang, Jung Chul Choi, Tae-Hwan Kim (2019): Dispersion of Boron Nitride Nanotubes by Pluronic Triblock Copolymer in Aqueous Solution. Polymers 11, 2019.
- Chee Huei Lee, Dongyan Zhang, Yoke Khin Yap (2012): Functionalization, Dispersion, and Cutting of Boron Nitride Nanotubes in Water. Journal of Physical Chemistry C 116, 2012. 1798–1804.
- Lin, Yi; Williams, Tiffany; Xu, Tian-Bing; Cao, Wei; Elsayed-Ali, Hani; Connell, John (2011): Aqueous Dispersions of Few-Layered and Monolayered Hexagonal Boron Nitride Nanosheets from Sonication-Assisted Hydrolysis: Critical Role of Water. The Journal of Physical Chemistry C 2011.
- Yuanlie Yu, Hua Chen, Yun Liu, Tim White, Ying Chen (2012): Preparation and potential application of boron nitride nanocups. Materials Letters, Vol. 80, 2012. 148-151.
- Luhua Li, Ying Chen, Zbigniew H. Stachurski (2013): Boron nitride nanotube reinforced polyurethane composites. Progress in Natural Science: Materials International Vol. 23, Issue 2, 2013. 70-173.
- Yanhu Zhan, Emanuele Lago, Chiara Santillo, Antonio Esaú Del Río Castillo, Shuai Hao, Giovanna G. Buonocore, Zhenming Chen, Hesheng Xia, Marino Lavorgna, Francesco Bonaccorso (2020): An anisotropic layer-by-layer carbon nanotube/boron nitride/rubber composite and its application in electromagnetic shielding. Nanoscale 12, 2020. 7782-7791.
- Kalay, Şaban; Çobandede, Zehra; Sen, Ozlem; Emanet, Melis; Kazanc, Emine; Culha, Mustafa (2015): Synthesis of boron nitride nanotubes and their applications. Beilstein Journal of Nanotechnology Vol 6, 2015. 84-102.
Στοιχεία που αξίζει να γνωρίζετε
Νανοσωλήνες και νανοϋλικά νιτριδίου του βορίου
Οι νανοσωλήνες νιτριδίου του βορίου διαθέτουν μια μοναδική ατομική δομή που αποτελείται από άτομα βορίου και αζώτου διατεταγμένα σε εξαγωνικό πλέγμα. Αυτή η δομή προσδίδει στους BNNT πολυάριθμες εξαιρετικές εγγενείς ιδιότητες, όπως ανώτερη μηχανική αντοχή, υψηλή θερμική αγωγιμότητα, ηλεκτρομονωτική συμπεριφορά, πιεζοηλεκτρική ιδιότητα, ικανότητα θωράκισης έναντι νετρονίων και αντοχή στην οξείδωση. Το ενεργειακό χάσμα των 5 eV μπορεί επίσης να ρυθμιστεί με τη χρήση εγκάρσιων ηλεκτρικών πεδίων, γεγονός που καθιστά τους BNNTs ενδιαφέροντες για ηλεκτρονικές διατάξεις. Επιπλέον, οι BNNTs έχουν υψηλή αντοχή στην οξείδωση έως τους 800°C, παρουσιάζουν εξαιρετική πιεζοηλεκτρικότητα και θα μπορούσαν να αποτελέσουν καλό υλικό αποθήκευσης υδρογόνου σε θερμοκρασία δωματίου.
BNNTs έναντι γραφενίου: Οι BNNTs είναι τα δομικά ανάλογα του γραφενίου. Η κύρια διαφορά μεταξύ των νανοϋλικών με βάση το νιτρίδιο του βορίου και των αντίστοιχων νανοϋλικών με βάση τον άνθρακα είναι η φύση των δεσμών μεταξύ των ατόμων. Ο δεσμός C-C στα νανοϋλικά άνθρακα έχει αμιγώς ομοιοπολικό χαρακτήρα, ενώ οι δεσμοί B-N παρουσιάζουν μερικώς ιοντικό χαρακτήρα λόγω των ζευγών e− στο B-N με υβριδισμό sp2. (cf. Emanet et al. 2019)
BNNTs έναντι νανοσωλήνων άνθρακα: Οι νανοσωλήνες νιτριδίου του βορίου (BNNTs) παρουσιάζουν σωληνοειδή νανοδομή παρόμοια με εκείνη των νανοσωλήνων άνθρακα (CNTs), με άτομα βορίου και αζώτου διατεταγμένα σε εξαγωνικό πλέγμα.
Xenes: Τα Xenes είναι 2D, μονοστοιχειακά νανοϋλικά. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι το βοροφένιο, το γαλλένιο, το σιλικένιο, το γερμανένιο, το στανένιο, το φωσφορένιο, το αρσενένιο, το αντιμονένιο, το βισμουθένιο, το τελλουρένιο και το σεληνένιο. Τα Xenes έχουν εξαιρετικές ιδιότητες υλικού, χάρη στις οποίες έχουν τη δυνατότητα να υπερβούν τους περιορισμούς που αφορούν τις πρακτικές εφαρμογές άλλων 2D υλικών. Μάθετε περισσότερα για την απολέπιση των Xenes με υπερήχους!
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλών επιδόσεων από εργαστηριακή έως βιομηχανική κλίμακα.