Nanotubi di nitruro di boro – Esfoliato e disperso con la sonicazione

L'ultrasuonazione è applicata con successo all'elaborazione e alla dispersione dei nanotubi di nitruro di boro (BNNT). La sonicazione ad alta intensità fornisce un distacco e una distribuzione omogenea in varie soluzioni ed è quindi una tecnica di elaborazione cruciale per incorporare i BNNT in soluzioni e matrici.

Elaborazione a ultrasuoni di nanotubi di nitruro di boro

Per incorporare nanotubi di nitruro di boro (BNNTs) o nanostrutture di nitruro di boro (BNNs) come nanosheet e nanoribboncini 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 nanotubi e nanostrutture di nitruro di boro con alta efficienza. I parametri di elaborazione precisamente controllabili degli ultrasuoni ad alta intensità (cioè energia, ampiezza, tempo, temperatura e pressione) permettono di regolare individualmente le condizioni di elaborazione all'obiettivo di processo mirato. Ciò significa che l'intensità degli ultrasuoni può essere regolata in relazione alla formulazione specifica (qualità dei BNNT, solvente, concentrazione solido-liquido ecc.

Boron nitride nanotubes (BNNTs) can be synthesized using sonication

Percorso a ultrasuoni per sintetizzare nanocupole di nitruro di boro
(studio e grafico: Yu et al. 2012)

Le applicazioni dell'elaborazione ultrasonica di BNNT e BNN coprono l'intera gamma dalla dispersione omogenea di nanostrutture bidimensionali di nitruro di boro (2D-BNNs), alla loro funzionalizzazione ed esfoliazione chimica del nitruro di boro esagonale monostrato. Di seguito, presentiamo i dettagli sulla dispersione ultrasonica, l'esfoliazione e la funzionalizzazione di BNNTs e BNNs.

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Dispersion of boron nitride nanotubes using high-intensity ultrasonicators from Hielscher Ultrasonics

Installazione di dispersori a ultrasuoni (2x UIP1000hdT) per la lavorazione di nanotubi di nitruro di boro su scala industriale

Dispersione ultrasonica di nanotubi di nitruro di boro

Quando i nanotubi di nitruro di boro (BNNT) vengono utilizzati per rinforzare i polimeri o per sintetizzare nuovi materiali, è necessaria una dispersione uniforme e affidabile nella matrice. I disperditori a ultrasuoni sono ampiamente utilizzati per disperdere nano materiali come CNT, nanoparticelle metalliche, particelle core-shell e altri tipi di nano particelle in una seconda fase.
La dispersione a ultrasuoni è stata applicata con successo per districare e distribuire uniformemente i BNNT in soluzioni acquose e non acquose tra cui etanolo, PVP etanolo, TX100 etanolo così come vari polimeri (ad esempio il poliuretano).
Un tensioattivo comunemente usato per stabilizzare una dispersione di BNNT preparata ad ultrasuoni è una soluzione di sodio dodecil solfato (SDS) all'1%wt. Per esempio, 5 mg di BNNT sono dispersi ad ultrasuoni in una fiala con 5 mL di soluzione 1%wt. SDS utilizzando un dispersore ad ultrasuoni tipo sonda come il UP200St (26kHz, 200W).

Dispersione acquosa di BNNTs mediante ultrasuoni

A causa delle loro forti interazioni di van der Waals e della superficie idrofoba, i nanotubi di nitruro di boro sono scarsamente disperdibili in soluzioni a base di acqua. Per risolvere questi problemi, Jeon et al. (2019) hanno usato Pluronic P85 e F127, che hanno sia gruppi idrofili che gruppi idrofobici per funzionalizzare BNNT sotto sonicazione.

Length reduction and cutting of boron nitride nanotubes (BNNTs) by high-intensity ultrasonication

Immagini al SEM di BNNT accorciati dopo varie durate di sonicazione. Come mostrato, le lunghezze di questi BNNT diminuiscono con l'aumento della durata cumulativa della sonicazione.
(studio e immagine: Lee et al. 2012)

Esfoliazione senza tensioattivi di fogli di nitruro di boro utilizzando la sonicazione

Lin et al. (2011) presentano un metodo pulito di esfoliazione e dispersione del nitruro di boro esagonale (h-BN). Il nitruro di boro esagonale è tradizionalmente considerato insolubile in acqua. Tuttavia, sono stati in grado di dimostrare che l'acqua è efficace per esfoliare le strutture stratificate di h-BN usando gli ultrasuoni, formando dispersioni acquose "pulite" di nanostrati di h-BN senza l'uso di tensioattivi o funzionalizzazione organica. Questo processo di esfoliazione ad ultrasuoni ha prodotto nanostrati di h-BN a pochi strati, nonché specie di nanostrati e nanoribboncini monostrati. La maggior parte dei nanostrati erano di dimensioni laterali ridotte, il che è stato attribuito al taglio dei fogli di h-BN genitori indotto dall'idrolisi assistita dalla sonicazione (corroborato dal test dell'ammoniaca e dai risultati della spettroscopia). L'idrolisi indotta dagli ultrasuoni ha anche promosso l'esfoliazione dei nanostrati di h-BN in assistenza all'effetto di polarità del solvente. I nanostrati di h-BN in queste dispersioni acquose "pulite" hanno mostrato una buona lavorabilità attraverso metodi di soluzione, mantenendo le loro caratteristiche fisiche. I nanostrati di h-BN dispersi in acqua hanno anche mostrato una forte affinità verso le proteine come la ferritina, suggerendo che le superfici dei nanostrati erano disponibili per ulteriori bio-coniugazioni.

Nano-dispersione a ultrasuoni con l'ultrasuonatore UP400St

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Il metodo di dispersione sono-meccanica utilizzando la cavitazione ultrasonica e le forze di taglio è un approccio puramente fisico di miscelazione, che si è dimostrato in grado di debundling BNNTs e stabilizzazione BNNTs individuali, pur mantenendo la loro integrità e proprietà intrinseche. Applicando l'energia ultrasonica adatta (Ws/mL), cioè l'ampiezza regolata e la durata della sonicazione, la dispersione ultrasonica può districare e disperdere uniformemente BNNTS. Ampiezze più elevate e una sonicazione più lunga possono essere applicate se la lunghezza dei nanotubi di nitruro di boro deve essere ridotta. Leggi di più sulla riduzione delle dimensioni ultrasoniche e sul taglio della lunghezza dei BNNT nella prossima sezione.

Riduzione e taglio ultrasonico delle dimensioni dei nanotubi di nitruro di boro

La lunghezza dei nanotubi di nitruro di boro gioca un ruolo cruciale quando si tratta della successiva elaborazione di BNNTs in polimeri e altri materiali funzionalizzati. Pertanto è un fatto importante che la sonicazione dei BNNT in solvente potrebbe non solo separare i BNNT singolarmente, ma anche accorciare i BNNT strutturati a bambù in condizioni controllate. I BNNT accorciati hanno una possibilità molto più bassa di raggruppamento durante la preparazione del composito. Lee at al. (2012) hanno dimostrato che le lunghezze dei BNNT funzionalizzati possono essere accorciate in modo efficiente da >10µm a ∼500nm tramite ultrasuoni. I loro esperimenti suggeriscono che un'efficace dispersione ultrasonica di BNNT in soluzione è necessaria per tale taglio di riduzione e taglio delle dimensioni di BNNT.

Boron nitride nanotubes can be efficiently dispersed and reduced in length using high-intensity ultrasonication

(c) mPEG- DSPE/BNNTs ben separati in acqua (dopo 2 ore di sonicazione). (d) Rappresentazione schematica di un BNNT funzionalizzato da una molecola mPEG-DSPE
(studio e immagine: Lee et al. 2012)

Ultrasonic dispersion is a well established technique to disperse and exfoliate boron nitride nanotubes.

Omogeneizzatore ad ultrasuoni UP400St per la dispersione di nanotubi di nitruro di boro (BNNT)

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Ultrasuoni ad alte prestazioni per il trattamento di BNNT

Le caratteristiche intelligenti degli ultrasuoni Hielscher sono progettate per garantire un funzionamento affidabile, risultati riproducibili e facilità d'uso. Le impostazioni operative sono facilmente accessibili e componibili tramite un menu intuitivo, al quale si può accedere tramite un display digitale a colori touch-display e un telecomando browser. Pertanto, tutte le condizioni di lavorazione come l'energia netta, l'energia totale, l'ampiezza, il tempo, la pressione e la temperatura vengono registrate automaticamente su una scheda SD integrata. Questo permette di rivedere e confrontare le precedenti sonicazione e di ottimizzare il processo di esfoliazione e dispersione di nanotubi di nitruro di boro e nanomateriali alla massima efficienza.
I sistemi Hielscher Ultrasonics sono utilizzati in tutto il mondo per la produzione di BNNT di alta qualità. Gli ultrasuoni industriali Hielscher possono facilmente eseguire ampiezze elevate in funzionamento continuo (24/7/365). Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente generate in continuo con sonotrodi standard (sonde a ultrasuoni / corni). Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Grazie alla loro robustezza e alla bassa manutenzione, i nostri sistemi di esfoliazione e dispersione a ultrasuoni sono comunemente installati per applicazioni pesanti e in ambienti esigenti.
Ultrasuoni Hielscher’ I processori industriali ad ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora più elevate, sono disponibili sonotrodi ad ultrasuoni personalizzati.
I processori a ultrasuoni Hielscher per la dispersione e l'esfoliazione di nanotubi di nitruro di boro, nonché di CNT e grafene sono già installati in tutto il mondo su scala commerciale. Contattateci ora per discutere il vostro processo di produzione di BNNT! Il nostro personale esperto sarà lieto di condividere maggiori informazioni sul processo di esfoliazione, sui sistemi ad ultrasuoni e sui prezzi!
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.

Letteratura / Referenze



Particolarità / Cose da sapere

Nanotubi e nanomateriali di nitruro di boro

I nanotubi di nitruro di boro offrono una struttura atomica unica assemblata di atomi di boro e azoto disposti in una rete esagonale. Questa struttura conferisce ai BNNT numerose proprietà intrinseche eccellenti, come la resistenza meccanica superiore, l'alta conducibilità termica, il comportamento elettricamente isolante, la proprietà piezoelettrica, la capacità di schermatura dei neutroni e la resistenza all'ossidazione. Il band gap di 5 eV può anche essere sintonizzato usando campi elettrici trasversali, il che rende i BNNT interessanti per i dispositivi elettronici. Inoltre, i BNNT hanno un'alta resistenza all'ossidazione fino a 800°C, mostrano un'eccellente piezoelettricità e potrebbero essere un buon materiale per lo stoccaggio dell'idrogeno a temperatura ambiente.

BNNT vs grafene: i BNNT sono gli analoghi strutturali del grafene. La principale differenza tra i nanomateriali a base di nitruro di boro e le loro controparti a base di carbonio è la natura dei legami tra gli atomi. Il legame C-C nei nanomateriali di carbonio ha un carattere covalente puro, mentre i legami B-N presentano un carattere parzialmente ionico a causa delle coppie e- in B-N ibridate sp2. (cfr. Emanet et al. 2019)

BNNT vs. nanotubi di carbonio: I nanotubi di nitruro di boro (BNNT) presentano una nanostruttura tubolare simile a quella dei nanotubi di carbonio (CNT) in cui gli atomi di boro e azoto sono disposti in una rete esagonale.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensione industriale.