نانولوله‌های نیترید بور – لایه‌برداری و پراکنده‌سازی با فراصوت‌دهی
فراصوت‌دهی با موفقیت برای پردازش و پراکنده‌سازی نانولوله‌های نیترید بور (BNNTs) به کار می‌رود. فراصوت‌دهی با شدت بالا، درهم‌تنیدگی این نانولوله‌ها را به‌طور یکنواخت باز می‌کند و آن‌ها را در محلول‌های مختلف به‌صورت همگن توزیع می‌کند؛ ازاین‌رو، روشی کلیدی برای وارد کردن BNNTs به محلول‌ها و ماتریس‌ها است.
پردازش فراصوتی نانولوله‌های نیترید بور
برای وارد کردن نانولوله‌های نیترید بور (BNNTs) یا نانوساختارهای نیترید بور (BNNs)، مانند نانوورقه‌ها و نانونوارها، به محلول‌های مایع یا ماتریس‌های پلیمری، به روشی کارآمد و قابل‌اعتماد برای پراکنده‌سازی نیاز است. پراکنده‌سازی فراصوتی انرژی لازم برای لایه‌برداری، باز کردن درهم‌تنیدگی، پراکنده‌سازی و عامل‌دارسازی نانولوله‌ها و نانوساختارهای نیترید بور را با بازده بالا فراهم می‌کند. پارامترهای پردازش با فراصوت شدت بالا، یعنی انرژی، دامنه، زمان، دما و فشار، با دقت قابل‌کنترل‌اند و امکان تنظیم مستقل شرایط پردازش را متناسب با هدف فرایند فراهم می‌کنند. به این ترتیب، می‌توان شدت فراصوت را متناسب با فرمولاسیون مشخص، شامل کیفیت BNNTs، حلال، غلظت جامد–مایع و غیره، تنظیم کرد و به نتایج بهینه دست یافت.
مسیر فراصوتی برای سنتز نانوفنجان‌های نیترید بور
(مطالعه و نمودار: Yu et al. 2012)
کاربردهای پردازش فراصوتی BNNT و BNN طیف کاملی را از پراکنده‌سازی همگن نانوساختارهای دوبعدی نیترید بور (2D-BNNs) تا عامل‌دارسازی آن‌ها و لایه‌برداری شیمیایی نیترید بور شش‌گوش تک‌لایه در بر می‌گیرند. در ادامه، جزئیات پراکنده‌سازی، لایه‌برداری و عامل‌دارسازی فراصوتی BNNTs و BNNs را ارائه می‌کنیم.
نصب دستگاه‌های پراکنده‌ساز فراصوتی (2x UIP1000hdT) برای پردازش نانولوله‌های نیترید بور در مقیاس صنعتی
پراکنده‌سازی فراصوتی نانولوله‌های نیترید بور
هنگامی که نانولوله‌های نیترید بور (BNNTs) برای تقویت پلیمرها یا سنتز مواد جدید به کار می‌روند، پراکنده‌سازی یکنواخت و قابل‌اعتماد آن‌ها در ماتریس ضروری است. دستگاه‌های پراکنده‌ساز فراصوتی به‌طور گسترده برای پراکنده‌سازی نانوموادی مانند CNTs، نانوذرات فلزی، ذرات هسته–پوسته و سایر انواع نانوذرات در یک فاز دوم استفاده می‌شوند.
پراکنده‌سازی فراصوتی با موفقیت برای باز کردن درهم‌تنیدگی و توزیع یکنواخت BNNTs در محلول‌های آبی و غیرآبی، از جمله اتانول، اتانول حاوی PVP و اتانول حاوی TX100، و نیز پلیمرهای مختلف مانند پلی‌یورتان به کار رفته است.
یکی از مواد فعال سطحی رایج برای پایدارسازی پراکنهٔ BNNT تهیه‌شده با فراصوت، محلول 1%wt سدیم دودسیل سولفات (SDS) است. برای مثال، 5 mg از BNNTs در یک ویال حاوی 5 mL محلول 1%wt. از SDS، با استفاده از یک پراکنده‌ساز فراصوتی پروبی مانند دستگاه زیر، به‌صورت فراصوتی پراکنده می‌شوند: UP200St (26kHz, 200W).
پراکنده‌سازی آبی BNNTs با استفاده از فراصوت
نانولوله‌های نیترید بور به دلیل برهم‌کنش‌های قوی واندروالسی و سطح آب‌گریز خود، به‌سختی در محلول‌های پایه‌آبی پراکنده می‌شوند. برای حل این مشکلات، Jeon et al. (2019) از Pluronic P85 و F127، که هر دو دارای گروه‌های آب‌دوست و آب‌گریز هستند، برای عامل‌دارسازی BNNT تحت فراصوت‌دهی استفاده کردند.
تصاویر SEM از BNNTs کوتاه‌شده پس از مدت‌زمان‌های مختلف فراصوت‌دهی. همان‌طور که نشان داده شده است، با افزایش مدت‌زمان تجمعی فراصوت‌دهی، طول این BNNTs کاهش می‌یابد.
(مطالعه و تصویر: Lee et al. 2012)
لایه‌برداری نانوورقه‌های نیترید بور با فراصوت‌دهی، بدون مادهٔ فعال سطحی
Lin et al. (2011) روشی پاک برای لایه‌برداری و پراکنده‌سازی نیترید بور شش‌گوش (h-BN) ارائه می‌کنند. نیترید بور شش‌گوش به‌طور سنتی ماده‌ای نامحلول در آب در نظر گرفته می‌شود. بااین‌حال، آن‌ها نشان دادند که آب در لایه‌برداری ساختارهای لایه‌ای h-BN با فراصوت‌دهی مؤثر است و بدون استفاده از مواد فعال سطحی یا عامل‌دارسازی آلی، پراکنه‌های آبی «پاک» از نانوورقه‌های h-BN تشکیل می‌دهد. این فرایند لایه‌برداری فراصوتی، نانوورقه‌های چندلایهٔ h-BN و نیز گونه‌های تک‌لایهٔ نانوورقه و نانونوار تولید کرد. بیشتر نانوورقه‌ها ابعاد جانبی کوچک‌تری داشتند که به برش ورقه‌های اولیهٔ h-BN بر اثر هیدرولیز به کمک فراصوت‌دهی نسبت داده شد؛ نتایج آزمون آمونیاک و طیف‌سنجی نیز این موضوع را تأیید کردند. هیدرولیز القاشده با فراصوت همچنین در کنار اثر قطبیت حلال، لایه‌برداری نانوورقه‌های h-BN را تسهیل کرد. نانوورقه‌های h-BN در این پراکنه‌های آبی «پاک»، ضمن حفظ ویژگی‌های فیزیکی خود، فرایندپذیری خوبی با روش‌های مبتنی بر محلول نشان دادند. نانوورقه‌های h-BN پراکنده‌شده در آب همچنین تمایل زیادی به پروتئین‌هایی مانند فریتین نشان دادند که بیانگر در دسترس بودن سطح نانوورقه‌ها برای زیست‌کونژوگاسیون‌های بعدی است.
کاهش اندازه و برش فراصوتی نانولوله‌های نیترید بور
طول نانولوله‌های نیترید بور در پردازش بعدی BNNTs برای وارد کردن آن‌ها به پلیمرها و سایر مواد عامل‌دارشده، نقشی کلیدی دارد. بنابراین، این نکته اهمیت دارد که فراصوت‌دهی BNNTs در حلال نه‌تنها می‌تواند آن‌ها را به‌صورت منفرد از یکدیگر جدا کند، بلکه می‌تواند BNNTs دارای ساختار بامبومانند را نیز در شرایط کنترل‌شده کوتاه کند. احتمال تشکیل دسته در BNNTs کوتاه‌شده هنگام تهیهٔ کامپوزیت بسیار کمتر است. Lee at al. (2012) نشان دادند که با فراصوت‌دهی می‌توان طول BNNTs عامل‌دارشده را به‌طور کارآمد از >10µm به ∼500nm کاهش داد. آزمایش‌های آن‌ها نشان می‌دهد که پراکنده‌سازی فراصوتی مؤثر BNNT در محلول، برای چنین کاهش اندازه و برش BNNT ضروری است.
(c) پراکندگی مناسب mPEG- DSPE/BNNTs در آب (پس از 2 h فراصوت‌دهی). (d) نمایش شماتیک یک BNNT عامل‌دارشده با یک مولکول mPEG-DSPE
(مطالعه و تصویر: Lee et al. 2012)
هموژنایزر فراصوتی UP400St برای پراکنده‌سازی نانولوله‌های نیترید بور (BNNTs)
دستگاه‌های فراصوتی با عملکرد بالا برای پردازش BNNT
قابلیت‌های هوشمند دستگاه‌های فراصوتی Hielscher برای تضمین عملکرد قابل‌اعتماد، نتایج تکرارپذیر و سهولت استفاده طراحی شده‌اند. تنظیمات عملکردی از طریق منویی با کاربری آسان، به‌راحتی در دسترس و قابل‌تنظیم هستند؛ دسترسی به این منو از طریق نمایشگر لمسی رنگی دیجیتال و کنترل از راه دور با مرورگر امکان‌پذیر است. ازاین‌رو، تمامی شرایط پردازش، مانند انرژی خالص، انرژی کل، دامنه، زمان، فشار و دما، به‌طور خودکار روی کارت SD داخلی ثبت می‌شوند. این قابلیت به شما امکان می‌دهد اجراهای پیشین فراصوت‌دهی را بازبینی و مقایسه کنید و فرایند لایه‌برداری و پراکنده‌سازی نانولوله‌های نیترید بور و نانومواد را برای دستیابی به بیشترین بازده بهینه سازید.
سامانه‌های Hielscher Ultrasonics در سراسر جهان برای تولید BNNTs با کیفیت بالا استفاده می‌شوند. دستگاه‌های فراصوتی صنعتی Hielscher می‌توانند به‌راحتی در کارکرد پیوسته (24/7/365) با دامنه‌های بالا کار کنند. با سونوتْرودهای استاندارد (پروب‌ها / هورن‌های فراصوتی) می‌توان به‌راحتی دامنه‌هایی تا 200µm را به‌طور پیوسته ایجاد کرد. برای دامنه‌های بالاتر نیز سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی موجود هستند. به دلیل استحکام و نیاز اندک به نگهداری، سامانه‌های لایه‌برداری و پراکنده‌سازی فراصوتی ما معمولاً برای کاربردهای سنگین و در محیط‌های دشوار نصب می‌شوند.
پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی ایجاد کنند. دامنه‌هایی تا 200µm را می‌توان به‌راحتی و به‌طور پیوسته در کارکرد 24/7 به کار گرفت. برای دامنه‌های بالاتر نیز سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی موجود هستند.
پردازشگرهای فراصوتی Hielscher برای پراکنده‌سازی و لایه‌برداری نانولوله‌های نیترید بور و نیز CNTs و گرافن، هم‌اکنون در سراسر جهان در مقیاس تجاری نصب شده‌اند. همین حالا با ما تماس بگیرید تا دربارهٔ فرایند تولید BNNT شما گفت‌وگو کنیم! کارشناسان باتجربهٔ ما با کمال میل اطلاعات بیشتری دربارهٔ فرایند لایه‌برداری، سامانه‌های فراصوتی و قیمت‌ها در اختیار شما می‌گذارند!
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- 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.
نکات دانستنی
نانولوله‌های نیترید بور و نانومواد
نانولوله‌های نیترید بور دارای ساختار اتمی منحصربه‌فردی متشکل از اتم‌های بور و نیتروژن هستند که در شبکه‌ای شش‌گوش آرایش یافته‌اند. این ساختار خواص ذاتی عالی متعددی به BNNT می‌بخشد؛ از جمله استحکام مکانیکی برتر، رسانایی حرارتی بالا، رفتار عایق الکتریکی، خاصیت پیزوالکتریک، قابلیت حفاظ‌گذاری در برابر نوترون و مقاومت در برابر اکسیداسیون. گاف نواری 5 eV را نیز می‌توان با استفاده از میدان‌های الکتریکی عرضی تنظیم کرد که BNNTs را برای ادوات الکترونیکی جذاب می‌سازد. افزون بر این، BNNTs تا 800°C مقاومت بالایی در برابر اکسیداسیون دارند، پیزوالکتریسیتهٔ عالی از خود نشان می‌دهند و می‌توانند مادهٔ مناسبی برای ذخیره‌سازی هیدروژن در دمای اتاق باشند.
BNNTs در مقایسه با گرافن: BNNTs همتایان ساختاری گرافن هستند. تفاوت اصلی میان نانومواد مبتنی بر نیترید بور و همتایان کربنی آن‌ها، ماهیت پیوندهای بین اتم‌ها است. پیوند C-C در نانومواد کربنی ماهیتی کاملاً کووالانسی دارد، درحالی‌که پیوندهای B-N به دلیل جفت‌های الکترونی e− در B-N با هیبریداسیون sp2، ماهیتی تا حدی یونی دارند. (رجوع کنید به Emanet et al. 2019)
BNNTs در مقایسه با نانولوله‌های کربنی: نانولوله‌های نیترید بور (BNNTs) نانوساختار لوله‌ای مشابه نانولوله‌های کربنی (CNTs) دارند که در آن اتم‌های بور و نیتروژن در شبکه‌ای شش‌گوش آرایش یافته‌اند.
زن‌ها (Xenes): زن‌ها نانوموادی تک‌عنصری و دوبعدی (2D) هستند. نمونه‌های برجستهٔ آن‌ها عبارت‌اند از بوروفن، گالنن، سیلیسن، ژرمانن، استانن، فسفرن، آرسنن، آنتیمونن، بیسموتن، تلورن و سلنن. زن‌ها دارای خواص مادی فوق‌العاده‌ای هستند و ازاین‌رو قابلیت غلبه بر محدودیت‌های کاربرد عملی سایر مواد 2D را دارند. دربارهٔ لایه‌برداری فراصوتی زن‌ها بیشتر بدانید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در ابعاد آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.