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Nanotubes de nitrure de bore – Exfoliation et dispersion par sonication

L'ultrasonication 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 ultrasonique des nanotubes de nitrure de bore

Une technique de dispersion efficace et fiable est nécessaire pour incorporer des nanotubes de nitrure de bore (BNNT) ou des nanostructures de nitrure de bore (BNN) telles que des nanofeuillets et des nanorubans dans des solutions liquides ou des matrices polymères. La dispersion ultrasonique 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 des ultrasons à haute intensité, contrôlables avec précision (énergie, amplitude, durée, température et pression), permettent d'ajuster 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.

Les nanotubes de nitrure de bore (BNNT) peuvent être synthétisés par sonication

Voie ultrasonique pour synthétiser des nanocups 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-BNN) à leur fonctionnalisation et à l'exfoliation chimique du nitrure de bore hexagonal monocouche. Nous présentons ci-dessous les détails de la dispersion ultrasonique, de l'exfoliation et de la fonctionnalisation des BNNT et des BNN.

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Dispersion de nanotubes de nitrure de bore à l'aide d'ultrasons à haute intensité de Hielscher Ultrasonics

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

Dispersion ultrasonique de nanotubes de 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 les nanomatériaux tels que les NTC, 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, y compris 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 avec 5 mL d'une solution de SDS à 1 % en poids. SDS à 1 % en poids à l'aide d'un disperseur à sonde ultrasonique tel que le disperseur UP200St (26kHz, 200W).

Dispersion aqueuse de BNNT 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 dispersibles dans les solutions à base d'eau. 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.

Réduction de la longueur et coupe de nanotubes de nitrure de bore (BNNT) par ultrasons à haute intensité

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

Exfoliation sans tensioactifs de nanosheets de nitrure de bore à l'aide de la 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, les chercheurs ont pu démontrer que l'eau est efficace pour exfolier les structures en couches de h-BN à l'aide d'ultrasons, formant des dispersions aqueuses "propres" de nanofeuillets de h-BN sans utiliser d'agents tensioactifs ou de fonctionnalisation organique. Ce processus d'exfoliation ultrasonique a produit des nanofeuillets de h-BN peu stratifiés ainsi que des nanofeuillets et des nanorubans monocouches. La plupart des nanofeuillets avaient des tailles latérales réduites, ce qui a été attribué à la découpe des feuilles de h-BN parent induite par l'hydrolyse assistée par sonication (corroborée par le test à l'ammoniaque et les résultats de la spectroscopie). L'hydrolyse induite par les ultrasons a également favorisé l'exfoliation des nanofeuillets de h-BN grâce à l'effet de polarité du solvant. Les nanofeuillets de h-BN dans ces dispersions aqueuses "propres" ont montré une bonne capacité de traitement par des méthodes de solution en conservant leurs caractéristiques physiques. Les nanofeuillets de h-BN dispersés dans l'eau présentaient également une forte affinité pour les protéines telles que la ferritine, ce qui suggère que les surfaces des nanofeuillets étaient disponibles pour d'autres bioconjugaisons.

Ultrasonator UP200St (200W) dispersant le noir de carbone dans l'eau en utilisant 1%wt de Tween80 comme surfactant.

Dispersion par ultrasons du noir de carbone à l'aide de l'appareil à ultrasons UP200St

Vignette vidéo

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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 conservant leur intégrité et leurs propriétés intrinsèques. En appliquant une énergie ultrasonique appropriée (Ws/mL), c'est-à-dire une amplitude et une durée de sonication adaptées, la dispersion ultrasonique peut démêler et 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 la taille et de la longueur des BNNT par ultrasons, voir la section suivante.

Réduction de la taille et coupe des nanotubes de nitrure de bore par ultrasons

The length of boron nitride nanotubes plays a crucial role when it comes to the subsequent processing of BNNTs into polymers and other functionalized materials. Therefore it is an important fact that sonication of the BNNTs in solvent could not only separate BNNTs individually, but also shorten the bamboo structured BNNTs under controlled conditions. The shortened BNNTs have a much lower chance of bundling during composite preparation.Lee at al. (2012) demonstrated that the lengths of functionalized BNNTs can be efficiently shortened from >10µm to ∼500nm by ultrasonication. Their experiments suggest that effective ultrasonic dispersion of BNNT in solution is necessary for such cutting of BNNT size reduction and cutting.

Les nanotubes de nitrure de bore peuvent être efficacement dispersés et réduits en longueur en utilisant des ultrasons de haute intensité

(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 illustration : Lee et al. 2012)

La dispersion ultrasonique est une technique bien établie pour disperser et exfolier les nanotubes de nitrure de bore.

Homogénéisateur ultrasonique 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 appareils à 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, auquel on peut accéder par l'intermédiaire d'un écran tactile couleur numérique et d'une télécommande à navigateur. Par conséquent, 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 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 avec une efficacité maximale.
Les systèmes ultrasoniques Hielscher sont utilisés dans le monde entier pour la fabrication de BNNT de haute qualité. Les ultrasons industriels Hielscher peuvent facilement produire 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 / cornets à ultrasons). Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. En raison de leur robustesse et de leur faible maintenance, nos systèmes d'exfoliation et de dispersion par ultrasons sont couramment installés pour des applications lourdes et dans des environnements exigeants.
Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs industriels à ultrasons peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 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 NTC 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 ultrasons :

Volume du lot Débit Dispositifs recommandés
1 à 500mL 10 à 200mL/min UP100H
10 à 2000mL 20 à 400mL/min UP200Ht, UP400St
0.1 à 20L 0.2 à 4L/min UIP2000hdT
10 à 100L 2 à 10L/min UIP4000hdT
n.d. 10 à 100L/min UIP16000
n.d. plus grande groupe de UIP16000

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Les homogénéisateurs ultrasoniques à haut cisaillement sont utilisés dans les laboratoires, les paillasses, les installations pilotes et les procédés industriels.

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance pour les 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 dans 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 protection contre les neutrons 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.

BNNT et graphène : les BNNT 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 à base 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)

BNNT et 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 dans un réseau hexagonal.

Xènes : Les xènes sont des nanomatériaux 2D monoélémentaires. Les exemples les plus marquants sont le borophène, le gallenène, le silicène, le germanène, le stanène, le phosphorène, l'arsenène, l'antimonène, le bismuthène, le tellurène et le sélénène. Les xènes ont des propriétés matérielles extraordinaires, ce qui leur permet de dépasser les limites des applications pratiques des autres matériaux 2D. En savoir plus sur l'exfoliation des xènes par ultrasons !


Ultrasons haute performance ! La gamme de produits Hielscher couvre tout le spectre, de l’ultrasoniseur de laboratoire compact aux systèmes à ultrasons industriels complets, en passant par les unités de paillasse.

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