Nanotubi di nitruro di boro – Esfoliati e dispersi mediante sonicazione

Il trattamento a ultrasuoni viene applicato con successo alla lavorazione e alla dispersione dei nanotubi di nitruro di boro (BNNTs). La sonicazione ad alta intensità consente di districare e distribuire omogeneamente i nanotubi in diverse soluzioni ed è quindi una tecnica di lavorazione fondamentale per incorporare i BNNTs in soluzioni e matrici.

Trattamento a ultrasuoni dei nanotubi di nitruro di boro

Per incorporare nanotubi di nitruro di boro (BNNTs) o nanostrutture di nitruro di boro (BNNs), come nanofogli e nanonastri, in soluzioni liquide o matrici polimeriche, è necessaria una tecnica di dispersione efficiente e affidabile. La dispersione a ultrasuoni fornisce l’energia necessaria per esfoliare, districare, disperdere e funzionalizzare i nanotubi e le nanostrutture di nitruro di boro con elevata efficienza. I parametri di trattamento degli ultrasuoni ad alta intensità, controllabili con precisione (ossia energia, ampiezza, tempo, temperatura e pressione), consentono di regolare singolarmente le condizioni di trattamento in funzione dell’obiettivo del processo. Ciò significa che l’intensità ultrasonica può essere regolata in base alla formulazione specifica (qualità dei BNNTs, solvente, concentrazione solido-liquido ecc.), ottenendo così risultati ottimali.

Le applicazioni del trattamento a ultrasuoni di BNNTs e BNNs coprono l’intero spettro, dalla dispersione omogenea delle nanostrutture bidimensionali di nitruro di boro (2D-BNNs) alla loro funzionalizzazione e all’esfoliazione chimica del nitruro di boro esagonale monostrato. Di seguito presentiamo i dettagli sulla dispersione, sull’esfoliazione e sulla funzionalizzazione a ultrasuoni di BNNTs e BNNs.

Dispersione a ultrasuoni dei nanotubi di nitruro di boro

Quando i nanotubi di nitruro di boro (BNNTs) vengono utilizzati per rinforzare polimeri o sintetizzare nuovi materiali, è necessaria una dispersione uniforme e affidabile nella matrice. I dispersori a ultrasuoni sono ampiamente utilizzati per disperdere nanomateriali come CNTs, nanoparticelle metalliche, particelle core-shell e altri tipi di nanoparticelle in una seconda fase.
La dispersione a ultrasuoni è stata applicata con successo per districare e distribuire uniformemente i BNNTs in soluzioni acquose e non acquose, tra cui etanolo, PVP in etanolo, TX100 in etanolo, nonché in diversi polimeri (ad es. poliuretano).
Un tensioattivo comunemente utilizzato per stabilizzare una dispersione di BNNTs preparata mediante ultrasuoni è una soluzione di sodio dodecilsolfato (SDS) all’1% in peso. Ad esempio, 5 mg di BNNTs vengono dispersi mediante ultrasuoni in una fiala contenente 5 mL di soluzione di SDS all’1% in peso, utilizzando un dispersore a ultrasuoni a sonda come UP200St (26kHz, 200W).

Dispersione acquosa di BNNTs mediante ultrasuoni

A causa delle forti interazioni di van der Waals e della superficie idrofoba, i nanotubi di nitruro di boro sono scarsamente disperdibili nelle soluzioni a base acquosa. Per risolvere questi problemi, Jeon et al. (2019) hanno utilizzato Pluronic P85 e F127, che possiedono sia gruppi idrofili sia gruppi idrofobi, per funzionalizzare i BNNTs durante la sonicazione.

Esfoliazione dei nanofogli di nitruro di boro senza tensioattivi mediante sonicazione

Lin et al. (2011) presentano un metodo pulito per l’esfoliazione e la dispersione del nitruro di boro esagonale (h-BN). Il nitruro di boro esagonale è tradizionalmente considerato insolubile in acqua. Tuttavia, hanno dimostrato che l’acqua è efficace per esfoliare le strutture stratificate di h-BN mediante trattamento a ultrasuoni, formando dispersioni acquose “pulite” di nanofogli di h-BN senza l’impiego di tensioattivi o funzionalizzazione organica. Questo processo di esfoliazione a ultrasuoni ha prodotto nanofogli di h-BN a pochi strati, nonché nanofogli e nanonastri monostrato. La maggior parte dei nanofogli presentava dimensioni laterali ridotte, attribuite al taglio dei fogli di h-BN di partenza indotto dall’idrolisi assistita dalla sonicazione (confermato dal test dell’ammoniaca e dai risultati spettroscopici). L’idrolisi indotta dagli ultrasuoni ha inoltre favorito l’esfoliazione dei nanofogli di h-BN, contribuendo all’effetto della polarità del solvente. I nanofogli di h-BN in queste dispersioni acquose “pulite” hanno mostrato una buona lavorabilità mediante metodi in soluzione, mantenendo le proprie caratteristiche fisiche. I nanofogli di h-BN dispersi in acqua hanno inoltre mostrato una forte affinità per proteine come la ferritina, suggerendo che le superfici dei nanofogli fossero disponibili per ulteriori bioconiugazioni.

Il metodo di dispersione sonomeccanica che utilizza la cavitazione ultrasonica e le forze di taglio è un approccio di miscelazione puramente fisico, che si è dimostrato in grado di separare i fasci di BNNTs e stabilizzare i singoli BNNTs mantenendone l’integrità e le proprietà intrinseche. Applicando un’energia ultrasonica adeguata (Ws/mL), ossia regolando l’ampiezza e la durata della sonicazione, la dispersione a ultrasuoni può districare e disperdere uniformemente i BNNTs. È possibile applicare ampiezze maggiori e una sonicazione più lunga se si desidera ridurre la lunghezza dei nanotubi di nitruro di boro. Nella sezione seguente sono disponibili ulteriori informazioni sulla riduzione dimensionale e sul taglio dei BNNTs per ridurne la lunghezza mediante ultrasuoni.

Riduzione dimensionale e taglio dei nanotubi di nitruro di boro mediante ultrasuoni

La lunghezza dei nanotubi di nitruro di boro svolge un ruolo fondamentale nella successiva lavorazione dei BNNTs per incorporarli in polimeri e altri materiali funzionalizzati. È quindi rilevante che la sonicazione dei BNNTs in un solvente possa non solo separare i singoli BNNTs, ma anche accorciare i BNNTs con struttura a bambù in condizioni controllate. I BNNTs accorciati hanno una probabilità molto inferiore di formare fasci durante la preparazione dei compositi. Lee et al. (2012) hanno dimostrato che la lunghezza dei BNNTs funzionalizzati può essere ridotta efficacemente da >10µm a ∼500nm mediante trattamento a ultrasuoni. I loro esperimenti suggeriscono che un’efficace dispersione a ultrasuoni dei BNNTs in soluzione sia necessaria per ottenere tale riduzione dimensionale e taglio dei BNNTs.

Sonicatori ad alte prestazioni per il trattamento dei BNNTs

Le funzionalità intelligenti dei sonicatori Hielscher sono progettate per garantire un funzionamento affidabile, risultati riproducibili e facilità d’uso. Le impostazioni operative sono facilmente accessibili e regolabili tramite un menu intuitivo, al quale si può accedere mediante il display touch digitale a colori e il controllo remoto via browser. Tutte le condizioni di trattamento, come energia netta, energia totale, ampiezza, tempo, pressione e temperatura, vengono quindi registrate automaticamente su una scheda SD integrata. Ciò consente di riesaminare e confrontare i precedenti cicli di sonicazione e di ottimizzare il processo di esfoliazione e dispersione dei nanotubi di nitruro di boro e dei nanomateriali per ottenere la massima efficienza.
I sistemi Hielscher Ultrasonics vengono utilizzati in tutto il mondo per la produzione di BNNTs di alta qualità. I sonicatori industriali Hielscher possono operare agevolmente ad ampiezze elevate in funzionamento continuo (24/7/365). Con i sonotrodi standard (sonde / corni a ultrasuoni) è possibile generare agevolmente e in modo continuo ampiezze fino a 200µm. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Grazie alla loro robustezza e alla ridotta manutenzione, i nostri sistemi di esfoliazione e dispersione a ultrasuoni vengono comunemente installati per applicazioni gravose e in ambienti impegnativi.
I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher Ultrasonics possono fornire ampiezze molto elevate. È possibile operare agevolmente e in modo continuo con ampiezze fino a 200µm in funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
I processori a ultrasuoni Hielscher per la dispersione e l’esfoliazione dei nanotubi di nitruro di boro, nonché dei CNTs e del grafene, sono già installati su scala commerciale in tutto il mondo. Contattateci ora per discutere del vostro processo di produzione dei BNNTs! Il nostro personale esperto sarà lieto di fornire ulteriori informazioni sul processo di esfoliazione, sui sistemi a ultrasuoni e sui prezzi!
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: