Boornitriid-nanotorud – eksfolieeritud ja dispergeeritud ultraheli töötluse abil
Ultraheli töötlust kasutatakse edukalt boornitriid-nanotorude (BNNT) töötlemisel ja dispergeerimisel. Suure intensiivsusega ultraheli töötlus tagab ühtlase lahtiharutamise ja jaotumise erinevates lahustes ning on seetõttu otsustava tähtsusega töötlusmeetod BNNT-de viimiseks lahustesse ja maatriksitesse.
Boornitriid-nanotorude ultraheli töötlus
Boornitriid-nanotorude (BNNT) või boornitriidi nanostruktuuride (BNN-id), näiteks nanolehtede ja nanolintide viimiseks vedelatesse lahustesse või polümeersetesse maatriksitesse on vaja tõhusat ja töökindlat dispergeerimismeetodit. Ultraheli dispergeerimine annab vajaliku energia boornitriid-nanotorude ja boornitriidi nanostruktuuride eksfolieerimiseks, lahtiharutamiseks, dispergeerimiseks ja funktsionaliseerimiseks suure efektiivsusega. Suure intensiivsusega ultraheli täpselt reguleeritavad töötlusparameetrid (st energia, amplituud, aeg, temperatuur ja rõhk) võimaldavad töötlustingimusi individuaalselt kohandada soovitud protsessieesmärgile. See tähendab, et ultraheli intensiivsust saab kohandada vastavalt konkreetsele koostisele (BNNT-de kvaliteet, lahusti, tahke aine ja vedeliku kontsentratsioon jne), saavutades nii optimaalsed tulemused.
Ultraheli abil toimuv boornitriidi nanokaussides sünteesi tee
(uuring ja joonis: Yu et al. 2012)
Ultraheli BNNT- ja BNN-töötluse rakendused hõlmavad kogu spektrit kahemõõtmeliste boornitriidi nanostruktuuride (2D-BNN-id) ühtlasest dispergeerimisest nende funktsionaliseerimise ja ühekihilise heksagonaalse boornitriidi keemilise eksfolieerimiseni. Allpool tutvustame üksikasjalikult BNNT-de ja BNN-ide ultraheli dispergeerimist, eksfolieerimist ja funktsionaliseerimist.
Ultraheli dispergeerijate paigaldus (2 × UIP1000hdT) boornitriid-nanotorude töötlemiseks tööstuslikus mastaabis
Boornitriid-nanotorude ultraheli dispergeerimine
Kui boornitriid-nanotorusid (BNNT) kasutatakse polümeeride tugevdamiseks või uute materjalide sünteesiks, on vajalik ühtlane ja töökindel dispergeerimine maatriksisse. Ultraheli dispergeerijaid kasutatakse laialdaselt nanomaterjalide, näiteks CNT-de, metalsete nanoosakeste, tuum-kest-osakeste ja muud tüüpi nanoosakeste dispergeerimiseks teise faasi.
Ultraheli dispergeerimist on edukalt rakendatud BNNT-de lahtiharutamiseks ja ühtlaseks jaotamiseks vesi- ja mittevesilahustes, sealhulgas etanoolis, PVP-etanoolis, TX100-etanoolis, samuti erinevates polümeerides (nt polüuretaanis).
Ultraheli abil valmistatud BNNT dispersiooni stabiliseerimiseks kasutatakse sageli pindaktiivset ainet, milleks on 1 massi%-line naatriumdodetsüülsulfaadi (SDS) lahus. Näiteks 5 mg BNNT-sid dispergeeritakse ultraheliga viaalis 5 mL 1 massi%-lises SDS-lahuses, kasutades sondtüüpi ultraheli dispergeerijat, näiteks UP200St (26kHz, 200W).
BNNT-de vesidispersioon ultraheli abil
Tugevate van der Waalsi vastasmõjude ja hüdrofoobse pinna tõttu on boornitriid-nanotorud veepõhistes lahustes halvasti dispergeeritavad. Nende probleemide lahendamiseks kasutasid Jeon et al. (2019) Pluronic P85 ja F127, millel on nii hüdrofiilsed kui ka hüdrofoobsed rühmad, BNNT funktsionaliseerimiseks ultraheli töötluse käigus.
SEM-kujutised lühendatud BNNT-dest pärast erineva kestusega ultraheli töötlust. Nagu näha, BNNT-de pikkus väheneb kumulatiivse ultraheli töötluse kestuse pikenedes.
(uuring ja pilt: Lee et al. 2012)
Pindaktiivsete ainete vaba boornitriid-nanolehtede eksfolieerimine ultraheli töötlusega
Lin jt (2011) esitasid puhta meetodi heksagonaalse boornitriidi (h-BN) kihtideks lahutamiseks (eksfolieerimiseks) ja dispergeerimiseks. Heksagonaalset boornitriidi peetakse traditsiooniliselt vees lahustumatuks. Siiski suutsid nad näidata, et vesi on ultraheli töötlusega tõhus kihiliste h-BN-struktuuride eksfolieerimiseks, moodustades h-BN nanolehtede „puhtaid“ vesidispersioone ilma pindaktiivsete ainete või orgaanilise funktsionaliseerimiseta. Selle ultraheli eksfolieerimisprotsessiga saadi vähekihilisi h-BN nanolehti ning samuti monokihilisi nanolehti ja nanolinte. Enamik nanolehti oli vähenenud külgmõõtmetega, mida seostati lähte-h-BN lehtede lõikumisega, mille põhjustas sonikeerimisega toetatud hüdrolüüs (kinnitatud ammoniaaki testi ja spektroskoopia tulemustega). Ultraheli esilekutsutud hüdrolüüs soodustas h-BN nanolehtede eksfolieerimist ka lahusti polaarsusefekti toel. Nende „puhaste“ vesidispersioonide h-BN nanolehed näitasid head töödeldavust lahusemeetoditega, säilitades oma füüsikalised omadused. Vees dispergeeritud h-BN nanolehtedel oli ka tugev afiinsus valkude, näiteks ferritiini vastu, mis viitab sellele, et nanolehtede pinnad olid saadaval edasisteks biokonjugatsioonideks.
Boornitriidi nanotorude ultraheli suuruse vähendamine ja lõikamine
Boornitriidi nanotorude pikkus mängib otsustavat rolli BNNT-de hilisemal töötlemisel polümeerideks ja muudeks funktsionaliseeritud materjalideks. Seetõttu on oluline fakt, et BNNT-de sonikeerimine lahustis võib kontrollitud tingimustes mitte ainult eraldada BNNT-sid üksikult, vaid ka lühendada bambusstruktuuriga BNNT-sid. Lühendatud BNNT-del on komposiidi valmistamisel palju väiksem tõenäosus kimpudeks koonduda. Lee at al. (2012) näitasid, et funktsionaliseeritud BNNT-de pikkust saab ultraheli abil tõhusalt lühendada väärtuselt >10µm väärtuseni ∼500nm. Nende katsed viitavad sellele, et BNNT-de tõhus ultraheli dispergeerimine lahuses on vajalik BNNT-de suuruse vähendamiseks ja lõikamiseks.
(c) Hästi dispergeeritud mPEG-DSPE/BNNT-d vees (2 h sonikeerimise järel). (d) Skemaatiline kujutis mPEG-DSPE molekuliga funktsionaliseeritud BNNT-st
(uuring ja pilt: Lee jt 2012)
Ultraheli homogenisaator UP400St boornitriidi nanotorude (BNNT) dispergeerimiseks
Suure jõudlusega ultraheliseadmed BNNT-de töötlemiseks
Hielscheri ultraheli seadmete nutikad funktsioonid on loodud tagama töökindla toimimise, reprodutseeritavad tulemused ja kasutajasõbralikkuse. Tööseadistustele pääseb hõlpsasti ligi ja neid saab seadistada intuitiivse menüü kaudu, millele pääseb ligi digitaalse värvilise puuteekraani ja brauseri kaugjuhtimise kaudu. Seetõttu salvestatakse kõik töötlustingimused, nagu netoenergia, koguenergia, amplituud, aeg, rõhk ja temperatuur, automaatselt sisseehitatud SD-kaardile. See võimaldab teil läbi vaadata ja võrrelda varasemaid ultraheli töötluse (sonikeerimise) käike ning optimeerida boornitriidi nanotorude ja nanomaterjalide eksfoliatsiooni- ja dispergeerimisprotsessi suurima tõhususeni.
Hielscher Ultrasonics süsteeme kasutatakse kogu maailmas kvaliteetsete BNNT-de tootmiseks. Hielscheri tööstuslikud ultraheli seadmed suudavad hõlpsasti töötada kõrgete amplituudidega pidevas töörežiimis (24/7/365). Kuni 200µm amplituudi on standardsete sonotroodidega (ultraheli sondid / hornid) võimalik hõlpsasti pidevalt tekitada. Veelgi kõrgemate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Tänu oma vastupidavusele ja väikesele hooldusvajadusele paigaldatakse meie ultraheli eksfoliatsiooni- ja dispergeerimissüsteeme sageli raskeks tööks ja nõudlikesse keskkondadesse.
Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud ultraheli protsessorid suudavad anda väga kõrgeid amplituude. Kuni 200µm amplituudi on võimalik hõlpsasti pidevalt kasutada 24/7 töörežiimis. Veelgi kõrgemate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.
Hielscheri ultraheli protsessorid boornitriidi nanotorude ning CNT-de ja grafeeni dispergeerimiseks ja eksfoliatsiooniks on juba paigaldatud kogu maailmas kaubanduslikus mastaabis. Võtke meiega kohe ühendust, et arutada oma BNNT tootmisprotsessi! Meie kogenud töötajad jagavad hea meelega lisateavet eksfoliatsiooniprotsessi, ultraheli süsteemide ja hindade kohta!
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheli seadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster: UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Hielscher Ultrasonics toodab kõrgjõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboratoorses, pilootmastaabis ja tööstuslikus mastaabis.
Kirjandus / viited
- 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.
Teadmist väärt faktid
Boornitriidi nanotorud ja nanomaterjalid
Boornitriidi nanotorud pakuvad ainulaadset aatomstruktuuri, mis koosneb heksagonaalsesse võrku paigutatud boori- ja lämmastikuaatomitest. See struktuur annab BNNT-dele arvukalt suurepäraseid omapäraseid omadusi, näiteks parema mehaanilise tugevuse, kõrge soojusjuhtivuse, elektrit isoleeriva käitumise, piesoelektrilise omaduse, neutronite varjestamise võime ja oksüdatsioonikindluse. 5 eV keelutsooni laiust saab samuti reguleerida ristsuunaliste elektriväljadega, mis teeb BNNT-d huvitavaks elektroonikaseadmete jaoks. Lisaks on BNNT-del kõrge oksüdatsioonikindlus kuni 800°C, nad näitavad suurepärast piesoelektrilisust ja võiksid olla hea toatemperatuuril kasutatav vesiniku säilitusmaterjal.
BNNT-d vs grafeen: BNNT-d on grafeeni struktuursed analoogid. Peamine erinevus boornitriidipõhiste nanomaterjalide ja nende süsinikupõhiste vastete vahel on aatomitevaheliste sidemete olemus. C-C side süsiniknanomaterjalides on puhtalt kovalentse iseloomuga, samas kui B-N sidemed on osaliselt ioonse iseloomuga tänu sp2-hübridiseerunud B-N elektronpaaridele (e−). (vrd Emanet et al. 2019)
BNNT-d vs süsiniknanotorud: Boornitriidi nanotorudel (BNNT-del) on süsiniknanotorudega (CNT-dega) sarnane torujas nanostruktuur, milles boori- ja lämmastikuaatomid on paigutatud heksagonaalsesse võrku.
Kseenid: Kseenid on 2D monoelementsed nanomaterjalid. Silmapaistvad näited on boorfeen, gallenseen, silitseen, germaneen, staneen, fosforeen, arseneen, antimoneen, vismutieen, telluureen ja seleneen. Kseenidel on erakordsed materjaliomadused, millel on seetõttu potentsiaal ületada teiste 2D materjalide praktilist kasutamist piiravad tegurid. Lugege lähemalt kseenide ultraheli koorimisest (eksfoliatsioonist)!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laborimõõtkavast kuni tööstusliku mõõtkavani.