Nanotubes de nitrure de bore – exfoliés et dispersés par sonication

L’ultrasonication est appliquée avec succès au traitement et à la dispersion des nanotubes de nitrure de bore (BNNTs). La sonication à haute intensité assure un démêlage et une distribution homogènes dans diverses solutions et constitue ainsi une technique de traitement essentielle pour incorporer les BNNTs dans des solutions et des matrices.

Traitement par ultrasons des nanotubes de nitrure de bore

Afin d’incorporer des nanotubes de nitrure de bore (BNNTs) ou des nanostructures de nitrure de bore (BNNs) telles que des nanofeuillets 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 les nanostructures de nitrure de bore avec une grande efficacité. Les paramètres de traitement précisément contrôlables des ultrasons de haute intensité (c.-à-d. énergie, amplitude, durée, température et pression) permettent d’ajuster individuellement les conditions de traitement à l’objectif visé du procédé. Cela signifie que l’intensité ultrasonore peut être ajustée en fonction de la formulation spécifique (qualité des BNNTs, solvant, concentration solide-liquide, etc.), ce qui permet d’obtenir des résultats optimaux.

Les applications du traitement par ultrasons des BNNTs et des BNNs couvrent toute la gamme, de la dispersion homogène de nanostructures bidimensionnelles de nitrure de bore (2D-BNNs) à leur fonctionnalisation et à l’exfoliation chimique du nitrure de bore hexagonal monocouche. Ci-dessous, nous présentons en détail la dispersion, l’exfoliation et la fonctionnalisation des BNNTs et des BNNs par ultrasons.

Dispersion par ultrasons des nanotubes de nitrure de bore

Lorsque les nanotubes de nitrure de bore (BNNTs) 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 CNTs, les nanoparticules métalliques, les particules cœur-coquille et d’autres types de nanoparticules dans une seconde phase.
La dispersion par ultrasons a été appliquée avec succès pour démêler et répartir uniformément les BNNTs dans des solutions aqueuses et non aqueuses, notamment l’éthanol, l’éthanol PVP, l’éthanol TX100 ainsi que divers polymères (p. ex. le polyuréthane).
Un tensioactif couramment utilisé pour stabiliser une dispersion de BNNTs préparée par ultrasons est une solution de dodécylsulfate de sodium (SDS) à 1%wt. Par exemple, 5 mg de BNNTs sont dispersés par ultrasons dans un flacon contenant 5 mL de solution de SDS à 1%wt. à l’aide d’un disperseur à ultrasons de type sonde tel que le UP200St (26kHz, 200W).

Dispersion aqueuse de BNNTs par ultrasons

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

Exfoliation sans tensioactif de nanofeuillets 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. Ils ont toutefois pu démontrer que l’eau est efficace pour exfolier les structures lamellaires de h-BN par ultrasonication, formant des dispersions aqueuses « propres » de nanofeuillets de h-BN sans recours à des tensioactifs ni à une fonctionnalisation organique. Ce procédé d’exfoliation par ultrasons a produit des nanofeuillets de h-BN à quelques couches ainsi que des espèces de nanofeuillets et de nanorubans monocouches. La plupart des nanofeuillets présentaient des dimensions latérales réduites, ce qui a été attribué à la découpe des feuillets de h-BN parents induite par l’hydrolyse assistée par sonication (corroborée par le test à l’ammoniac et les résultats de spectroscopie). L’hydrolyse induite par ultrasons a également favorisé l’exfoliation des nanofeuillets de h-BN, en complément de l’effet de polarité du solvant. Les nanofeuillets de h-BN de ces dispersions aqueuses « propres » ont présenté une bonne aptitude à la mise en œuvre par voie solution tout en conservant leurs caractéristiques physiques. Les nanofeuillets de h-BN dispersés dans l’eau ont également montré une forte affinité pour des protéines telles que la ferritine, ce qui suggère que les surfaces des nanofeuillets étaient disponibles pour d’autres bioconjugaisons.

La méthode de dispersion sono-mécanique, qui fait appel à la cavitation ultrasonore et aux forces de cisaillement, est une approche de mélange purement physique dont la capacité à désagréger les faisceaux de BNNTs et à stabiliser les BNNTs individuels tout en préservant leur intégrité et leurs propriétés intrinsèques a été démontrée. En appliquant une énergie ultrasonore appropriée (Ws/mL), c.-à-d. une amplitude et une durée de sonication ajustées, la dispersion par ultrasons permet de démêler et de disperser uniformément les BNNTS. 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 et la découpe en longueur des BNNTs par ultrasons, consultez la section suivante.

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

La longueur des nanotubes de nitrure de bore joue un rôle crucial lors du traitement ultérieur des BNNTs dans des polymères et d’autres matériaux fonctionnalisés. Il est donc important de noter que la sonication des BNNTs dans un solvant permet non seulement de séparer individuellement les BNNTs, mais aussi de raccourcir, dans des conditions contrôlées, les BNNTs à structure en bambou. Les BNNTs raccourcis présentent un risque nettement moindre de former des faisceaux lors de la préparation des composites. Lee at al. (2012) ont démontré que la longueur des BNNTs fonctionnalisés peut être efficacement réduite de >10µm à ∼500nm par ultrasonication. Leurs expériences suggèrent qu’une dispersion efficace des BNNT en solution par ultrasons est nécessaire à une telle réduction de taille et découpe des BNNT.

Ultrasonicateurs haute performance pour le traitement des BNNTs

Les fonctions intelligentes des ultrasonicateurs Hielscher sont conçues pour garantir un fonctionnement fiable, des résultats reproductibles et une grande facilité d’utilisation. Les réglages de fonctionnement sont facilement accessibles et paramétrables via un menu intuitif, accessible depuis l’écran tactile numérique couleur et par commande à distance via navigateur. Ainsi, toutes les conditions de traitement telles que l’énergie nette, l’énergie totale, l’amplitude, la durée, la pression et la température sont automatiquement enregistrées sur une carte SD intégrée. Cela vous permet de revoir et de comparer des cycles de sonication antérieurs et d’optimiser le procédé d’exfoliation et de dispersion des nanotubes de nitrure de bore et des nanomatériaux pour une efficacité maximale.
Les systèmes Hielscher Ultrasonics sont utilisés dans le monde entier pour la fabrication de BNNTs de haute qualité. Les ultrasonicateurs industriels Hielscher peuvent fonctionner sans difficulté à des amplitudes élevées en fonctionnement continu (24/7/365). Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent être générées facilement et en continu avec des sonotrodes standard (sondes / cornets ultrasonores). Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasonores sur mesure sont disponibles. Grâce à leur robustesse et à leur faible besoin de maintenance, nos systèmes d’exfoliation et de dispersion par ultrasons sont couramment installés pour des applications intensives et dans des environnements exigeants.
Les processeurs ultrasonores industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent délivrer des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasonores sur mesure sont disponibles.
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