Nanocijevi borova nitrida – eksfolirane i dispergirane sonikacijom

Ultrazvučna obrada uspješno se primjenjuje za obradu i dispergiranje nanocijevi borova nitrida (BNNTs). Sonikacija visokog intenziteta omogućuje homogeno raspetljavanje i raspodjelu u različitim otopinama te je stoga ključna tehnika obrade za ugradnju nanocijevi borova nitrida u otopine i matrice.

Ultrazvučna obrada nanocijevi borova nitrida

Za ugradnju nanocijevi borova nitrida (BNNTs) ili nanostruktura borova nitrida (BNNs), poput nanolistova i nanovrpci, u tekuće otopine ili polimerne matrice potrebna je učinkovita i pouzdana tehnika dispergiranja. Ultrazvučno dispergiranje osigurava potrebnu energiju za eksfolijaciju, raspetljavanje, dispergiranje i funkcionalizaciju nanocijevi borova nitrida i nanostruktura borova nitrida uz visoku učinkovitost. Precizno podesivi parametri obrade ultrazvukom visokog intenziteta (tj. energija, amplituda, vrijeme, temperatura i tlak) omogućuju pojedinačnu prilagodbu uvjeta obrade cilju procesa. To znači da se intenzitet ultrazvuka može prilagoditi specifičnoj formulaciji (kvaliteti nanocijevi borova nitrida, otapalu, koncentraciji krute tvari u tekućini itd.), čime se postižu optimalni rezultati.

Primjene ultrazvučne obrade nanocijevi borova nitrida (BNNTs) i nanostruktura borova nitrida (BNNs) obuhvaćaju cijeli raspon od homogenog dispergiranja dvodimenzionalnih nanostruktura borova nitrida (2D-BNNs) do njihove funkcionalizacije i kemijske eksfolijacije jednoslojnog heksagonskog borova nitrida. U nastavku detaljno predstavljamo ultrazvučno dispergiranje, eksfolijaciju i funkcionalizaciju nanocijevi i nanostruktura borova nitrida.

Ultrazvučno dispergiranje nanocijevi borova nitrida

Kada se nanocijevi borova nitrida (BNNTs) upotrebljavaju za ojačavanje polimera ili sintezu novih materijala, potrebno je ravnomjerno i pouzdano dispergiranje u matrici. Ultrazvučni dispergatori široko se primjenjuju za dispergiranje nanomaterijala poput ugljikovih nanocijevi (CNTs), metalnih nanočestica, čestica sa strukturom jezgra–ljuska i drugih vrsta nanočestica u drugoj fazi.
Ultrazvučno dispergiranje uspješno se primjenjuje za raspetljavanje i ravnomjernu raspodjelu nanocijevi borova nitrida u vodenim i nevodenim otopinama, uključujući etanol, etanol s PVP-om i etanol s TX100, kao i u različitim polimerima (npr. poliuretanu).
Često upotrebljavano površinski aktivno sredstvo za stabilizaciju ultrazvučno pripremljene disperzije nanocijevi borova nitrida jest 1%wt otopina natrijeva dodecil-sulfata (SDS). Primjerice, 5 mg nanocijevi borova nitrida ultrazvučno se dispergira u bočici s 5 mL 1%wt. otopine SDS-a pomoću ultrazvučnog dispergatora sa sondom poput uređaja UP200St (26kHz, 200W).

Dispergiranje nanocijevi borova nitrida u vodi pomoću ultrazvuka

Zbog snažnih van der Waalsovih interakcija i hidrofobne površine nanocijevi borova nitrida slabo se dispergiraju u otopinama na bazi vode. Kako bi riješili te probleme, Jeon et al. (2019) upotrijebili su Pluronic P85 i F127, koji imaju i hidrofilne i hidrofobne skupine, za funkcionalizaciju nanocijevi borova nitrida tijekom sonikacije.

Eksfolijacija nanolistova borova nitrida sonikacijom bez površinski aktivnih sredstava

Lin et al. (2011) predstavljaju čistu metodu eksfolijacije i dispergiranja heksagonalnog borova nitrida (h-BN). Heksagonalni borov nitrid tradicionalno se smatra netopljivim u vodi. Međutim, uspjeli su pokazati da je voda učinkovita za eksfolijaciju slojevitih struktura h-BN-a primjenom ultrazvuka, pri čemu nastaju „čiste” vodene disperzije nanolistova h-BN-a bez uporabe površinski aktivnih tvari ili organske funkcionalizacije. Ovim postupkom ultrazvučne eksfolijacije dobiveni su nanolistovi h-BN-a s nekoliko slojeva te jednoslojni nanolistovi i nanovrpce. Većina nanolistova imala je smanjene bočne dimenzije, što je pripisano rezanju početnih listova h-BN-a izazvanom hidrolizom potpomognutom sonikacijom (potkrijepljeno testom na amonijak i rezultatima spektroskopije). Ultrazvučno izazvana hidroliza također je pospješila eksfolijaciju nanolistova h-BN-a, pridonoseći učinku polarnosti otapala. Nanolistovi h-BN-a u tim „čistim” vodenim disperzijama pokazali su dobru obradivost metodama iz otopine uz zadržavanje svojih fizikalnih svojstava. Nanolistovi h-BN-a dispergirani u vodi također su pokazali snažan afinitet prema proteinima poput feritina, što upućuje na to da su površine nanolistova bile dostupne za daljnje biokonjugacije.

Sonomehanička metoda dispergiranja koja se koristi ultrazvučnom kavitacijom i smičnim silama potpuno je fizikalni pristup miješanju za koji je dokazano da može razdvojiti snopove BNNT-ova i stabilizirati pojedinačne BNNT-ove uz očuvanje njihova integriteta i intrinzičnih svojstava. Primjenom odgovarajuće ultrazvučne energije (Ws/mL), odnosno prilagođene amplitude i trajanja sonikacije, ultrazvučnim dispergiranjem moguće je rasplesti i ravnomjerno dispergirati BNNTS. Veće amplitude i dulja sonikacija mogu se primijeniti ako je potrebno smanjiti duljinu nanocijevi borova nitrida. Više o ultrazvučnom smanjenju veličine i skraćivanju BNNT-ova rezanjem pročitajte u sljedećem odjeljku.

Ultrazvučno smanjenje veličine i rezanje nanocijevi borova nitrida

Duljina nanocijevi borova nitrida ima ključnu ulogu u naknadnoj preradi BNNT-ova u polimere i druge funkcionalizirane materijale. Stoga je važna činjenica da bi sonikacija BNNT-ova u otapalu mogla ne samo razdvojiti pojedinačne BNNT-ove nego i skratiti BNNT-ove sa strukturom nalik bambusu u kontroliranim uvjetima. Skraćeni BNNT-ovi imaju znatno manju vjerojatnost stvaranja snopova tijekom pripreme kompozita. Lee at al. (2012) pokazali su da se duljina funkcionaliziranih BNNT-ova može učinkovito smanjiti s >10µm na ∼500nm primjenom ultrazvuka. Njihovi eksperimenti upućuju na to da je učinkovito ultrazvučno dispergiranje BNNT-ova u otopini nužno za takvo smanjenje veličine i rezanje BNNT-ova.

Ultrazvučni uređaji visokih performansi za obradu BNNT-ova

Pametne značajke ultrazvučnih uređaja Hielscher osmišljene su kako bi jamčile pouzdan rad, ponovljive rezultate i jednostavnost uporabe. Radnim postavkama može se jednostavno pristupiti i podesiti ih putem intuitivnog izbornika, kojem se može pristupiti putem digitalnog zaslona u boji osjetljivog na dodir i daljinskog upravljanja putem preglednika. Stoga se svi uvjeti obrade, poput neto energije, ukupne energije, amplitude, vremena, tlaka i temperature, automatski bilježe na ugrađenu SD karticu. To vam omogućuje pregled i usporedbu prethodnih ciklusa sonikacije te optimizaciju procesa eksfolijacije i dispergiranja nanocijevi i nanomaterijala borova nitrida radi postizanja najviše učinkovitosti.
Sustavi Hielscher Ultrasonics upotrebljavaju se diljem svijeta za proizvodnju visokokvalitetnih BNNT-ova. Industrijski ultrazvučni uređaji Hielscher mogu jednostavno raditi pri visokim amplitudama u kontinuiranom radu (24/7/365). Standardnim sonotrodama (ultrazvučnim sondama / rogovima) mogu se jednostavno kontinuirano generirati amplitude do 200µm. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Zbog svoje robusnosti i malih zahtjeva za održavanjem naši sustavi za ultrazvučnu eksfolijaciju i dispergiranje često se ugrađuju za primjene s velikim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima.
Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu ostvariti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se jednostavno kontinuirano održavati u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Ultrazvučni procesori Hielscher za dispergiranje i eksfolijaciju nanocijevi borova nitrida, kao i CNT-ova i grafena, već su instalirani diljem svijeta za proizvodnju u komercijalnim razmjerima. Obratite nam se sada kako bismo razgovarali o vašem procesu proizvodnje BNNT-ova! Naše iskusno osoblje rado će vam pružiti više informacija o procesu eksfolijacije, ultrazvučnim sustavima i cijenama!
Tablica u nastavku daje vam uvid u približan kapacitet obrade naših ultrazvučnih uređaja: