Bór-nitrid nanocsövek – exfoliálás és diszpergálás ultrahangos kezeléssel

Az ultrahangos kezelést sikeresen alkalmazzák a bór-nitrid nanocsövek (BNNT-k) feldolgozására és diszpergálására. A nagy intenzitású ultrahangos kezelés különböző oldatokban biztosítja az összegabalyodott nanocsövek egyenletes szétválasztását és eloszlatását, így kulcsfontosságú feldolgozási technika a BNNT-k oldatokba és mátrixokba történő beépítéséhez.

Bór-nitrid nanocsövek ultrahangos feldolgozása

A bór-nitrid nanocsövek (BNNT-k) vagy bór-nitrid nanoszerkezetek (BNN-ek), például nanolemezek és nanoszalagok folyékony oldatokba vagy polimer mátrixokba történő beépítéséhez hatékony és megbízható diszpergálási technika szükséges. Az ultrahangos diszpergálás biztosítja a bór-nitrid nanocsövek és bór-nitrid nanoszerkezetek nagy hatékonyságú exfoliálásához, az összegabalyodott szerkezetek szétválasztásához, diszpergálásához és funkcionalizálásához szükséges energiát. A nagy intenzitású ultrahang pontosan szabályozható feldolgozási paraméterei (azaz az energia, az amplitúdó, az idő, a hőmérséklet és a nyomás) lehetővé teszik a feldolgozási körülmények egyedi beállítását a kitűzött folyamatcélhoz. Ez azt jelenti, hogy az ultrahang intenzitása az adott összetételhez igazítható (a BNNT-k minősége, az oldószer, a szilárd–folyadék koncentráció stb.), így optimális eredmények érhetők el.

A BNNT-k és BNN-ek ultrahangos feldolgozásának alkalmazásai a kétdimenziós bór-nitrid nanoszerkezetek (2D-BNN-ek) homogén diszpergálásától a funkcionalizálásukig és az egyrétegű hexagonális bór-nitrid kémiai exfoliálásáig terjedő teljes tartományt lefedik. Az alábbiakban részletesen bemutatjuk a BNNT-k és BNN-ek ultrahangos diszpergálását, exfoliálását és funkcionalizálását.

Bór-nitrid nanocsövek ultrahangos diszpergálása

Ha a bór-nitrid nanocsöveket (BNNT-ket) polimerek erősítésére vagy új anyagok szintézisére használják, egyenletes és megbízható diszpergálásuk szükséges a mátrixban. Az ultrahangos diszpergálóberendezéseket széles körben alkalmazzák nanoanyagok, például CNT-k, fém nanorészecskék, mag–héj részecskék és más típusú nanorészecskék második fázisban történő diszpergálására.
Az ultrahangos diszpergálást sikeresen alkalmazzák az összegabalyodott BNNT-k szétválasztására és egyenletes eloszlatására vizes és nem vizes oldatokban, többek között etanolban, PVP-t tartalmazó etanolban, TX100-at tartalmazó etanolban, valamint különböző polimerekben (pl. poliuretánban).
Az ultrahanggal előállított BNNT-diszperzió stabilizálására gyakran alkalmazott felületaktív anyag az 1%wt nátrium-dodecil-szulfát- (SDS-) oldat. Például 5 mg BNNT-t diszpergálnak ultrahanggal egy fiolában, 5 mL 1%wt. SDS-oldatban, szondás ultrahangos diszpergálóberendezéssel, például az UP200St (26kHz, 200W) készülékkel.

BNNT-k vizes diszpergálása ultrahanggal

Erős van der Waals-kölcsönhatásaik és hidrofób felületük miatt a bór-nitrid nanocsövek nehezen diszpergálhatók vízalapú oldatokban. E problémák megoldására Jeon et al. (2019) Pluronic P85-öt és F127-et alkalmaztak, amelyek hidrofil és hidrofób csoportokat egyaránt tartalmaznak, a BNNT ultrahangos kezelés közbeni funkcionalizálására.

Bór-nitrid nanolemezek felületaktív anyag nélküli exfoliálása ultrahangos kezeléssel

Lin et al. (2011) a hexagonális bór-nitrid (h-BN) exfoliálásának és diszpergálásának tiszta módszerét mutatják be. A hexagonális bór-nitridet hagyományosan vízben oldhatatlannak tekintik. Ugyanakkor sikerült kimutatniuk, hogy a víz hatékony közeg a réteges h-BN-szerkezetek ultrahangos exfoliálásához, amelynek során felületaktív anyagok vagy szerves funkcionalizálás alkalmazása nélkül „tiszta” vizes h-BN-nanolemez-diszperziók képződnek. Ez az ultrahangos exfoliálási eljárás néhány rétegből álló h-BN-nanolemezeket, valamint egyrétegű nanolemez- és nanoszalag-formákat eredményezett. A legtöbb nanolemez oldalirányú méretei csökkentek, amit a kiindulási h-BN-lemezek ultrahanggal elősegített hidrolízis által kiváltott feldarabolódásának tulajdonítottak (ezt az ammóniateszt és a spektroszkópiai eredmények is alátámasztották). Az ultrahang által kiváltott hidrolízis az oldószer polaritásának hatását kiegészítve a h-BN-nanolemezek exfoliálását is elősegítette. Ezekben a „tiszta” vizes diszperziókban a h-BN-nanolemezek oldatos módszerekkel jól feldolgozhatók voltak, miközben megőrizték fizikai jellemzőiket. A vízben diszpergált h-BN-nanolemezek erős affinitást mutattak olyan fehérjék iránt is, mint a ferritin, ami arra utal, hogy a nanolemezek felülete további biokonjugációkhoz is hozzáférhető volt.

Az ultrahangos kavitációt és nyíróerőket alkalmazó szonomechanikai diszpergálási módszer tisztán fizikai keverési eljárás, amelyről bebizonyosodott, hogy képes a BNNT-k kötegeit szétbontani és az egyedi BNNT-ket stabilizálni, miközben megőrzi épségüket és belső tulajdonságaikat. Megfelelő ultrahangos energia (Ws/mL), azaz megfelelően beállított amplitúdó és ultrahangos kezelési idő alkalmazásával az ultrahangos diszpergálás képes az összegabalyodott BNNTS szétválasztására és egyenletes diszpergálására. Nagyobb amplitúdók és hosszabb ultrahangos kezelés alkalmazható, ha csökkenteni kell a bór-nitrid nanocsövek hosszát. A következő szakaszban további információkat talál a BNNT-k ultrahangos méretcsökkentéséről és rövidítéséről.

Bór-nitrid nanocsövek ultrahangos méretcsökkentése és darabolása

A bór-nitrid nanocsövek hossza kulcsfontosságú a BNNT-k polimerekbe és más funkcionalizált anyagokba történő későbbi beépítése során. Ezért lényeges tény, hogy a BNNT-k oldószerben végzett ultrahangos kezelése nemcsak egyenként választhatja szét a BNNT-ket, hanem szabályozott körülmények között a bambuszszerkezetű BNNT-ket rövidítheti is. A rövidített BNNT-k jóval kisebb valószínűséggel rendeződnek kötegekbe a kompozitok előállítása során. Lee at al. (2012) kimutatták, hogy a funkcionalizált BNNT-k hossza ultrahangos kezeléssel hatékonyan csökkenthető >10µm-ről ∼500nm-re. Kísérleteik arra utalnak, hogy a BNNT oldatban történő hatékony ultrahangos diszpergálása szükséges a BNNT ilyen méretcsökkentéséhez és darabolásához.

Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek BNNT-k feldolgozásához

A Hielscher ultrahangos készülékeinek intelligens funkcióit úgy tervezték, hogy garantálják a megbízható működést, a reprodukálható eredményeket és a felhasználóbarát kezelést. A működési beállítások egyszerűen elérhetők és módosíthatók az intuitív menüben, amely a digitális színes érintőkijelzőn és böngészős távvezérléssel is hozzáférhető. Így minden feldolgozási körülményt, például a nettó energiát, az összes energiát, az amplitúdót, az időt, a nyomást és a hőmérsékletet automatikusan rögzíti a készülék a beépített SD-kártyára. Ez lehetővé teszi a korábbi ultrahangos kezelések áttekintését és összehasonlítását, valamint a bór-nitrid nanocsövek és nanoanyagok exfoliálási és diszpergálási folyamatának optimalizálását a legnagyobb hatékonyság elérése érdekében.
A Hielscher Ultrasonics rendszereit világszerte használják kiváló minőségű BNNT-k gyártására. A Hielscher ipari ultrahangos készülékei könnyedén működnek nagy amplitúdókkal folyamatos üzemben (24/7/365). A szabványos szonotródákkal (ultrahangos szondákkal / kürtökkel) akár 200µm amplitúdó is könnyedén, folyamatosan előállítható. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi kialakítású ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. Robusztus felépítésük és alacsony karbantartási igényük miatt ultrahangos exfoliáló- és diszpergálórendszereinket gyakran telepítik nagy igénybevételű alkalmazásokhoz és nehéz üzemi környezetekbe.
A Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorai nagyon nagy amplitúdók biztosítására képesek. Akár 200µm amplitúdó is könnyedén, folyamatosan fenntartható 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi kialakítású ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre.
A bór-nitrid nanocsövek, valamint a CNT-k és a grafén diszpergálására és exfoliálására szolgáló Hielscher ultrahangos processzorokat már világszerte telepítették kereskedelmi léptékben. Lépjen kapcsolatba velünk most, hogy megbeszélhessük az Ön BNNT-gyártási folyamatát! Tapasztalt munkatársaink örömmel adnak további tájékoztatást az exfoliálási folyamatról, az ultrahangos rendszerekről és az árakról!
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: