Nanotubos de nitruro de boro – Exfoliación y dispersión mediante sonicación

La ultrasonicación se aplica con éxito al procesamiento y la dispersión de los nanotubos de nitruro de boro (BNNT). La sonicación de alta intensidad proporciona un desenredo y una distribución homogéneos en diversas soluciones, por lo que es una técnica de procesamiento crucial para incorporar los BNT a soluciones y matrices.

Procesamiento por ultrasonidos de nanotubos de nitruro de boro

Para incorporar nanotubos de nitruro de boro (BNNTs) o nanoestructuras de nitruro de boro (BNNs) como nanohojas y nanoribbones en soluciones líquidas o matrices poliméricas, se requiere una técnica de dispersión eficiente y fiable. La dispersión ultrasónica proporciona la energía necesaria para exfoliar, desenredar, dispersar y funcionalizar los nanotubos de nitruro de boro y las nanoestructuras de nitruro de boro con gran eficacia. Los parámetros de procesamiento de los ultrasonidos de alta intensidad, que se pueden controlar con precisión (energía, amplitud, tiempo, temperatura y presión), permiten ajustar individualmente las condiciones de procesamiento al objetivo del proceso. Esto significa que la intensidad de los ultrasonidos puede ajustarse en función de la formulación específica (calidad de los BNT, disolvente, concentración sólido-líquido, etc.), obteniendo así resultados óptimos.

Boron nitride nanotubes (BNNTs) can be synthesized using sonication

Vía ultrasónica para sintetizar nanocupas de nitruro de boro
(estudio y gráfico: Yu et al. 2012)

Las aplicaciones del procesamiento ultrasónico de BNNTs y BNNs cubren toda la gama, desde la dispersión homogénea de nanoestructuras bidimensionales de nitruro de boro (2D-BNNs), hasta su funcionalización y exfoliación química de nitruro de boro hexagonal monocapa. A continuación, presentamos los detalles de la dispersión por ultrasonidos, la exfoliación y la funcionalización de BNNTs y BNNs.

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

Instalación de dispersores ultrasónicos (2x UIP1000hdT) para el procesamiento de nanotubos de nitruro de boro a escala industrial

Dispersión ultrasónica de nanotubos de nitruro de boro

Cuando los nanotubos de nitruro de boro (BNT) se utilizan para reforzar polímeros o para sintetizar nuevos materiales, se requiere una dispersión uniforme y fiable en la matriz. Los dispersores ultrasónicos se utilizan ampliamente para dispersar nanomateriales como los CNT, las nanopartículas metálicas, las partículas con núcleo y otros tipos de nanopartículas en una segunda fase.
La dispersión ultrasónica se ha aplicado con éxito para desenredar y distribuir uniformemente los BNT en soluciones acuosas y no acuosas, incluyendo etanol, etanol PVP, etanol TX100, así como diversos polímeros (por ejemplo, poliuretano).
Un tensioactivo comúnmente utilizado para estabilizar una dispersión de BNT preparada por ultrasonidos es una solución de dodecilsulfato de sodio (SDS) al 1% en peso. Por ejemplo, 5 mg de BNT se dispersan por ultrasonidos en un vial con 5 mL de solución de SDS al 1% en peso. SDS utilizando un dispersor de tipo sonda ultrasónica como el UP200St (26kHz, 200W).

Dispersión acuosa de BNNTs mediante ultrasonidos

Debido a sus fuertes interacciones de Van der Waals y su superficie hidrofóbica, los nanotubos de nitruro de boro son poco dispersables en soluciones acuosas. Para resolver estos problemas, Jeon et al. (2019) utilizaron Pluronic P85 y F127, que tienen grupos hidrofílicos y grupos hidrofóbicos para funcionalizar los BNNT bajo sonicación.

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

Imágenes SEM de los BNNTs acortados después de varias duraciones de sonicación. Como se muestra, las longitudes de estos BNTs disminuyen con el aumento de la duración acumulada de la sonicación.
(estudio e imagen: Lee et al. 2012)

Exfoliación sin tensoactivos de nanohojas de nitruro de boro mediante sonicación

Lin et al. (2011) presentan un método limpio de exfoliación y dispersión de nitruro de boro hexagonal (h-BN). Tradicionalmente se considera que el nitruro de boro hexagonal es insoluble en agua. Sin embargo, pudieron demostrar que el agua es eficaz para exfoliar las estructuras de h-BN en capas mediante ultrasonidos, formando dispersiones acuosas "limpias" de nanohojas de h-BN sin el uso de tensioactivos ni funcionalización orgánica. Este proceso de exfoliación por ultrasonidos produjo nanoplanchas de h-BN de pocas capas, así como nanoplanchas monocapa y especies de nanorobinas. La mayoría de las nanohojas tenían tamaños laterales reducidos, lo que se atribuyó al corte de las hojas de h-BN madre inducido por la hidrólisis asistida por la sonicación (corroborado por la prueba de amoníaco y los resultados de la espectroscopia). La hidrólisis inducida por ultrasonidos también promovió la exfoliación de las nanohojas de h-BN en asistencia al efecto de polaridad del disolvente. Las nanohojas de h-BN en estas dispersiones acuosas "limpias" mostraron una buena procesabilidad mediante métodos de disolución conservando sus características físicas. Las nanohojas de h-BN dispersas en agua también mostraron una fuerte afinidad hacia proteínas como la ferritina, lo que sugiere que las superficies de las nanohojas estaban disponibles para posteriores bioconjugaciones.

Nanodispersión ultrasónica con el ultrasonicador UP400St

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El método de dispersión sono-mecánica que utiliza la cavitación ultrasónica y las fuerzas de cizallamiento es un enfoque de mezcla puramente físico, que ha demostrado ser capaz de desagregar los BNNT y estabilizar los BNNT individuales, manteniendo su integridad y propiedades intrínsecas. Aplicando una energía ultrasónica adecuada (Ws/mL), es decir, ajustando la amplitud y la duración de la sonicación, la dispersión ultrasónica puede desenredar y dispersar los BNNTS de manera uniforme. Se pueden aplicar amplitudes más altas y una sonicación más larga si se quiere reducir la longitud de los nanotubos de nitruro de boro. Lea más sobre la reducción del tamaño por ultrasonidos y el corte de la longitud de los BNT en la siguiente sección.

Reducción de tamaño y corte por ultrasonidos de nanotubos de nitruro de boro

La longitud de los nanotubos de nitruro de boro desempeña un papel crucial en el posterior procesamiento de los BNT en polímeros y otros materiales funcionalizados. Por lo tanto, es un hecho importante que la sonicación de los BNNT en disolvente no sólo podría separar los BNNT individualmente, sino también acortar los BNNT estructurados en bambú bajo condiciones controladas. Los BNTs acortados tienen una probabilidad mucho menor de agruparse durante la preparación del compuesto.Lee at al. (2012) demostró que las longitudes de los BNNTs funcionalizados pueden acortarse eficientemente de >10µm a ∼500nm mediante ultrasonidos. Sus experimentos sugieren que la dispersión ultrasónica efectiva de los BNNT en la solución es necesaria para tal corte de reducción de tamaño de BNNT y corte.

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

(c) BNTs con mPEG-DSPE bien disipados en agua (tras 2 horas de sonicación). (d) Esquema representativo de un BNT funcionalizado por una molécula de mPEG-DSPE.
(estudio e imagen: Lee et al. 2012)

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

Homogeneizador ultrasónico UP400St para la dispersión de nanotubos de nitruro de boro (BNNT)

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Ultrasonidos de alto rendimiento para el procesamiento de BNT

Las funciones inteligentes de los ultrasonidos de Hielscher están diseñadas para garantizar un funcionamiento fiable, resultados reproducibles y facilidad de uso. Los ajustes de funcionamiento son fácilmente accesibles y se marcan a través de un menú intuitivo, al que se puede acceder mediante una pantalla táctil digital en color y un mando a distancia con navegador. Así, todas las condiciones de procesamiento, como la energía neta, la energía total, la amplitud, el tiempo, la presión y la temperatura, se registran automáticamente en una tarjeta SD integrada. Esto permite revisar y comparar las ejecuciones de sonicación anteriores y optimizar el proceso de exfoliación y dispersión de los nanotubos de nitruro de boro y los nanomateriales con la máxima eficacia.
Los sistemas de ultrasonidos de Hielscher se utilizan en todo el mundo para la fabricación de BNT de alta calidad. Los ultrasonidos industriales de Hielscher pueden trabajar fácilmente con amplitudes elevadas en funcionamiento continuo (24/7/365). Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente generadas de forma continua con sonotrodos estándar (sondas ultrasónicas / cuernos). Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados. Debido a su robustez y a su bajo mantenimiento, nuestros sistemas de exfoliación y dispersión por ultrasonidos se instalan habitualmente en aplicaciones pesadas y en entornos exigentes.
Hielscher Ultrasonics’ los procesadores industriales de ultrasonido pueden entregar amplitudes muy altas. Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente operadas continuamente en operación 24/7. Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados.
Los procesadores ultrasónicos de Hielscher para la dispersión y exfoliación de nanotubos de nitruro de boro, así como de CNT y grafeno, ya están instalados en todo el mundo a escala comercial. Póngase en contacto con nosotros para hablar de su proceso de fabricación de BNT. Nuestro experimentado personal estará encantado de proporcionarle más información sobre el proceso de exfoliación, los sistemas de ultrasonidos y los precios.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.

Literatura / Referencias



Información interesante

Nanotubos y nanomateriales de nitruro de boro

Los nanotubos de nitruro de boro ofrecen una estructura atómica única formada por átomos de boro y nitrógeno dispuestos en una red hexagonal. Esta estructura confiere al BNNT numerosas y excelentes propiedades intrínsecas, como una resistencia mecánica superior, una alta conductividad térmica, un comportamiento eléctricamente aislante, una propiedad piezoeléctrica, una capacidad de blindaje de neutrones y una resistencia a la oxidación. La brecha de banda de 5 eV también puede ajustarse utilizando campos eléctricos transversales, lo que hace que los BNT sean interesantes para los dispositivos electrónicos. Además, los BNTs tienen una alta resistencia a la oxidación hasta 800°C, muestran una excelente piezoelectricidad y podrían ser un buen material de almacenamiento de hidrógeno a temperatura ambiente.

BNNTs vs Grafeno: Los BNTs son los análogos estructurales del grafeno. La principal diferencia entre los nanomateriales basados en nitruro de boro y sus homólogos basados en carbono es la naturaleza de los enlaces entre los átomos. El enlace C-C en los nanomateriales de carbono tiene un carácter covalente puro, mientras que los enlaces B-N presentan un carácter parcialmente iónico debido a los pares e en el B-N hibridado sp2. (cf. Emanet et al. 2019)

BNNTs vs. Nanotubos de carbono: Los nanotubos de nitruro de boro (BNT) presentan una nanoestructura tubular similar a la de los nanotubos de carbono (CNT) en la que los átomos de boro y nitrógeno se disponen en una red hexagonal.


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 fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.