Nanotubes de nitrure de bore – Exfoliation et dispersion par sonication

La sonication est appliquée avec succès au traitement et à la dispersion des nanotubes de nitrure de bore (BNNT). La sonication à haute intensité permet un démêlage et une distribution homogènes dans diverses solutions et constitue donc une technique de traitement cruciale pour incorporer les BNNT dans des solutions et des matrices.

Traitement par ultrasons des nanotubes en nitrure de bore

Afin d'incorporer des nanotubes de nitrure de bore (BNNT) ou des nanostructures de nitrure de bore (BNN) tels que des nanoplaquettes et des nanorubans dans des solutions liquides ou des matrices polymères, une technique de dispersion efficace et fiable est nécessaire. La dispersion par ultrasons fournit l'énergie nécessaire pour exfolier, démêler, disperser et fonctionnaliser les nanotubes et nanostructures de nitrure de bore avec une grande efficacité. Les paramètres de traitement des ultrasons de haute intensité, qui peuvent être contrôlés avec précision (énergie, amplitude, temps, température et pression), permettent d'adapter individuellement les conditions de traitement à l'objectif visé. Cela signifie que l'intensité des ultrasons peut être ajustée en fonction de la formulation spécifique (qualité des BNNT, solvant, concentration solide-liquide, etc.), ce qui permet d'obtenir des résultats optimaux.

Boron nitride nanotubes (BNNTs) can be synthesized using sonication

Voie ultrasonique pour synthétiser des nanoparticules de nitrure de bore
(étude et graphique : Yu et al. 2012)

Les applications du traitement ultrasonique des BNNT et BNN couvrent toute la gamme, de la dispersion homogène des nanostructures bidimensionnelles de nitrure de bore (2D-BNNs) à leur fonctionnalisation et à l'exfoliation chimique du nitrure de bore hexagonal monocouche. Nous présentons ci-dessous les détails de la dispersion par ultrasons, de l'exfoliation et de la fonctionnalisation des BNNT et BNN.

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

Installation de disperseurs à ultrasons (2x UIP1000hdT) pour le traitement des nanotubes de nitrure de bore à l'échelle industrielle

Dispersion par ultrasons de nanotubes en nitrure de bore

Lorsque des nanotubes de nitrure de bore (BNNT) sont utilisés pour renforcer des polymères ou pour synthétiser de nouveaux matériaux, une dispersion uniforme et fiable dans la matrice est nécessaire. Les disperseurs à ultrasons sont largement utilisés pour disperser des nanomatériaux tels que les CNT, les nanoparticules métalliques, les particules core-shell et d'autres types de nanoparticules dans une seconde phase.
La dispersion par ultrasons a été appliquée avec succès pour démêler et distribuer uniformément les BNNT dans des solutions aqueuses et non aqueuses, notamment l'éthanol, l'éthanol PVP, l'éthanol TX100 ainsi que divers polymères (par exemple, le polyuréthane).
Un tensioactif couramment utilisé pour stabiliser une dispersion de BNNT préparée par ultrasons est une solution de dodécylsulfate de sodium (SDS) à 1% en poids. Par exemple, 5 mg de BNNT sont dispersés par ultrasons dans un flacon contenant 5 ml de solution de SDS à 1% en poids. SDS à l'aide d'un disperseur à sonde ultrasonique tel que l'appareil UP200St (26kHz, 200W).

Dispersion aqueuse de BNNTs à l'aide d'ultrasons

En raison de leurs fortes interactions de van der Waals et de leur surface hydrophobe, les nanotubes de nitrure de bore sont peu dispersables dans les solutions aqueuses. Pour résoudre ces problèmes, Jeon et al. (2019) ont utilisé Pluronic P85 et F127, qui possèdent à la fois des groupes hydrophiles et des groupes hydrophobes, pour fonctionnaliser les BNNT sous sonication.

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

Images SEM de BNNT raccourcis après différentes durées de sonication. Comme on le voit, la longueur de ces BNNT diminue avec l'augmentation de la durée cumulée de sonication.
(étude et photo : Lee et al. 2012)

Exfoliation sans tensioactif de nanoplaquettes de nitrure de bore par sonication

Lin et al. (2011) présentent une méthode propre d'exfoliation et de dispersion du nitrure de bore hexagonal (h-BN). Le nitrure de bore hexagonal est traditionnellement considéré comme insoluble dans l'eau. Cependant, ils ont pu démontrer que l'eau est efficace pour exfolier les structures stratifiées de h-BN en utilisant l'ultrasonication, formant des dispersions aqueuses "propres" de nano-feuilles de h-BN sans l'utilisation de surfactants ou de fonctionnalisation organique. Ce processus d'exfoliation par ultrasons a produit des nanoparticules de h-BN à quelques couches ainsi que des espèces de nanoparticules et de nanorubans monocouches. La plupart des nano-feuilles avaient des tailles latérales réduites, ce qui a été attribué à la découpe des feuilles de h-BN parentales induite par l'hydrolyse assistée par sonication (corroboré par le test à l'ammoniac et les résultats de la spectroscopie). L'hydrolyse induite par ultrasons a également favorisé l'exfoliation des nanoplaquettes de h-BN en assistance à l'effet de polarité du solvant. Les nano-feuilles de h-BN dans ces dispersions aqueuses "propres" ont montré une bonne aptitude au traitement par des méthodes de mise en solution en conservant leurs caractéristiques physiques. Les nanoparticules de h-BN dispersées dans l'eau présentaient également une forte affinité pour les protéines telles que la ferritine, ce qui suggère que les surfaces des nanoparticules étaient disponibles pour d'autres bioconjugaisons.

Nano-dispersion par ultrasons avec l'ultrasonateur UP400St

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La méthode de dispersion sono-mécanique utilisant la cavitation ultrasonique et les forces de cisaillement est une approche de mélange purement physique, qui s'est avérée capable de démêler les BNNT et de stabiliser les BNNT individuels tout en maintenant leur intégrité et leurs propriétés intrinsèques. En appliquant une énergie ultrasonique (Ws/mL) appropriée, c'est-à-dire une amplitude et une durée de sonication ajustées, la dispersion ultrasonique peut démêler et disperser les BNNTS de manière uniforme. Des amplitudes plus élevées et une sonication plus longue peuvent être appliquées si la longueur des nanotubes de nitrure de bore doit être réduite. Pour en savoir plus sur la réduction de taille par ultrasons et la réduction de la longueur des BNNT, consultez la section suivante.

Réduction de la taille et découpe des nanotubes en nitrure de bore par ultrasons

La longueur des nanotubes de nitrure de bore joue un rôle crucial lors de la transformation ultérieure des BNNT en polymères et autres matériaux fonctionnalisés. Il est donc important que la sonication des BNNT dans un solvant puisse non seulement séparer les BNNT individuellement, mais aussi raccourcir les BNNT structurés en bambou dans des conditions contrôlées. Les BNNT raccourcis ont beaucoup moins de chance de se regrouper pendant la préparation du composite.Lee et al. (2012) ont démontré que les longueurs des BNNT fonctionnalisés peuvent être efficacement raccourcies de >10µm à ∼500nm par ultrasonication. Leurs expériences suggèrent qu'une dispersion ultrasonique efficace des BNNT en solution est nécessaire pour une telle réduction de la taille des BNNT et leur découpe.

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

(c) MPEG-DSPE/BNNTs bien dispersés dans l'eau (après 2 h de sonication). (d) Représentation schématique d'un BNNT fonctionnalisé par une molécule de mPEG-DSPE.
(étude et photo : Lee et al. 2012)

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

homogénéisateur à ultrasons UP400St pour la dispersion de nanotubes de nitrure de bore (BNNT)

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Ultrasons haute performance pour le traitement des BNNT

Les caractéristiques intelligentes des ultrasons Hielscher sont conçues pour garantir un fonctionnement fiable, des résultats reproductibles et une grande facilité d'utilisation. Les paramètres de fonctionnement sont facilement accessibles et réglés par le biais d'un menu intuitif, qui peut être consulté sur un écran tactile couleur numérique et une télécommande par navigateur. Ainsi, toutes les conditions de traitement telles que l'énergie nette, l'énergie totale, l'amplitude, le temps, la pression et la température sont automatiquement enregistrées sur une carte SD intégrée. Cela vous permet de réviser et de comparer les cycles de sonication précédents et d'optimiser le processus d'exfoliation et de dispersion des nanotubes et des nanomatériaux en nitrure de bore pour une efficacité maximale.
Les systèmes à ultrasons Hielscher sont utilisés dans le monde entier pour la fabrication de BNNT de haute qualité. Les ultrasons industriels Hielscher peuvent facilement générer des amplitudes élevées en fonctionnement continu (24/7/365). Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement générées en continu avec des sonotrodes standard (sondes ultrasoniques / cornes). Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles. En raison de leur robustesse et de leur faible maintenance, nos systèmes d'exfoliation et de dispersion par ultrasons sont généralement installés pour des applications lourdes et dans des environnements exigeants.
Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs ultrasoniques industriels peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent facilement être exploitées en continu, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles.
Les processeurs à ultrasons Hielscher pour la dispersion et l'exfoliation des nanotubes de nitrure de bore ainsi que des CNT et du graphène sont déjà installés dans le monde entier à l'échelle commerciale. Contactez-nous dès maintenant pour discuter de votre processus de fabrication de BNNT ! Notre personnel expérimenté se fera un plaisir de vous donner plus d'informations sur le processus d'exfoliation, les systèmes à ultrasons et les prix !
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:

lot Volume Débit Appareils recommandés
1 à 500 ml 10 à 200 ml / min UP100H
10 à 2000mL 20 à 400 ml / min UP200Ht, UP400St
0.1 20L 00,2 à 4L / min UIP2000hdT
10 à 100l 2 à 10 L / min UIP4000hdT
n / a. 10 à 100 litres / min UIP16000
n / a. plus grand groupe de UIP16000

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

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs ultrasoniques à haute performance pour des applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.

Littérature / Références



Qu'il faut savoir

Nanotubes et nanomatériaux en nitrure de bore

Les nanotubes de nitrure de bore présentent une structure atomique unique composée d'atomes de bore et d'azote disposés en un réseau hexagonal. Cette structure confère aux BNNT de nombreuses propriétés intrinsèques excellentes, telles qu'une résistance mécanique supérieure, une conductivité thermique élevée, un comportement électriquement isolant, une propriété piézoélectrique, une capacité de blindage neutronique et une résistance à l'oxydation. La bande interdite de 5 eV peut également être réglée à l'aide de champs électriques transversaux, ce qui rend les BNNT intéressants pour les dispositifs électroniques. En outre, les BNNT présentent une résistance élevée à l'oxydation jusqu'à 800°C, une excellente piézoélectricité et pourraient constituer un bon matériau de stockage de l'hydrogène à température ambiante.

BNNTs vs Graphène : Les BNNTs sont les analogues structurels du graphène. La principale différence entre les nanomatériaux à base de nitrure de bore et leurs homologues à base de carbone est la nature des liaisons entre les atomes. La liaison C-C dans les nanomatériaux de carbone a un caractère covalent pur, tandis que les liaisons B-N présentent un caractère partiellement ionique en raison des paires e dans les B-N hybridés sp2. (cf. Emanet et al. 2019)

BNNTs vs. nanotubes de carbone : Les nanotubes de nitrure de bore (BNNT) présentent une nanostructure tubulaire similaire à celle des nanotubes de carbone (CNT) dans laquelle les atomes de bore et d'azote sont disposés en un réseau 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 fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance à partir d'une technologie de pointe. laboratoires à taille industrielle.