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 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.

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.

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.

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.

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.
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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :