nanotubi di nitruro di boro – Esfoliato e disperso con la sonicazione
L'ultrasuonoterapia è stata applicata con successo al trattamento 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 lavorazione cruciale per incorporare i BNNT in soluzioni e matrici.
Trattamento a ultrasuoni dei nanotubi di nitruro di boro
Per incorporare i nanotubi di nitruro di boro (BNNT) o le nanostrutture di nitruro di boro (BNN), come i nanosheet e i nanoribbon 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 lavorazione controllabili con precisione degli ultrasuoni ad alta intensità (energia, ampiezza, tempo, temperatura e pressione) consentono di regolare individualmente le condizioni di lavorazione in base all'obiettivo del processo. Ciò significa che l'intensità degli ultrasuoni può essere regolata in funzione della formulazione specifica (qualità dei BNNT, solvente, concentrazione solido-liquido ecc.), ottenendo così risultati ottimali.

Percorso a ultrasuoni per sintetizzare nanocup di nitruro di boro
(studio e grafico: Yu et al. 2012)
Le applicazioni del trattamento ad ultrasuoni di BNNT e BNN coprono l'intera gamma, dalla dispersione omogenea di 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 a ultrasuoni, l'esfoliazione e la funzionalizzazione di BNNT e BNNs.

Installazione di dispersori a ultrasuoni (2x UIP1000hdT) per la lavorazione dei nanotubi di nitruro di boro su scala industriale
Dispersione a ultrasuoni 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 dispersori a ultrasuoni sono ampiamente utilizzati per disperdere in una seconda fase nano materiali come CNT, nanoparticelle metalliche, particelle core-shell e altri tipi di nano particelle.
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 e vari polimeri (ad esempio, poliuretano).
Un tensioattivo comunemente utilizzato per stabilizzare una dispersione di BNNT preparata a ultrasuoni è una soluzione all'1% in peso di dodecil solfato di sodio (SDS). Ad esempio, 5 mg di BNNT vengono dispersi a ultrasuoni in una fiala con 5 mL di soluzione di SDS all'1% in peso. SDS utilizzando un dispersore ad ultrasuoni del tipo a sonda, come ad esempio il modello UP200St (26kHz, 200W).
Dispersione acquosa di BNNTs mediante ultrasuoni
A causa delle forti interazioni di van der Waals e della superficie idrofobica, i nanotubi di nitruro di boro sono scarsamente disperdibili in soluzioni acquose. Per risolvere questi problemi, Jeon et al. (2019) hanno utilizzato i Pluronic P85 e F127, che hanno sia gruppi idrofili che idrofobici per funzionalizzare i BNNT sotto sonicazione.

Immagini SEM dei BNNT accorciati dopo varie durate di sonicazione. Come mostrato, la lunghezza di questi BNNT diminuisce con l'aumento della durata cumulativa della sonicazione.
(studio e immagine: Lee et al. 2012)
Esfoliazione senza tensioattivi di nanoschede di nitruro di boro mediante 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 utilizzando gli ultrasuoni, formando “pulire” dispersioni acquose di nanofogli di h-BN senza l'uso di tensioattivi o funzionalizzazione organica. Questo processo di esfoliazione a ultrasuoni ha prodotto nanofogli di h-BN a pochi strati, nonché specie di nanofogli e nanonastri monostrato. La maggior parte dei nanofogli aveva dimensioni laterali ridotte, il che è stato attribuito al taglio dei fogli di h-BN genitore 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 nanofogli di h-BN in assistenza all'effetto di polarità del solvente. I nanofogli h-BN in questi “pulire” Le dispersioni acquose hanno mostrato una buona lavorabilità attraverso metodi di soluzione che mantengono le loro caratteristiche fisiche. I nanofogli di h-BN dispersi in acqua hanno anche mostrato una forte affinità verso proteine come la ferritina, suggerendo che le superfici dei nanofogli erano disponibili per ulteriori bio-coniugazioni.
Riduzione dimensionale e taglio a ultrasuoni di nanotubi di nitruro di boro
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.

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

Omogeneizzatore a ultrasuoni UP400St per la dispersione di nanotubi di nitruro di boro (BNNTs)
Ultrasuonatori ad alte prestazioni per la lavorazione dei BNNT
Le caratteristiche intelligenti degli ultrasuonatori Hielscher sono progettate per garantire un funzionamento affidabile, risultati riproducibili e facilità d'uso. Le impostazioni operative sono facilmente accessibili e selezionabili tramite un menu intuitivo, accessibile tramite display digitale a colori touch-display e telecomando browser. Tutte le condizioni di lavorazione, come energia netta, energia totale, ampiezza, tempo, pressione e temperatura, vengono automaticamente registrate su una scheda SD integrata. Ciò consente di rivedere e confrontare i precedenti cicli di sonicazione e di ottimizzare il processo di esfoliazione e dispersione di nanotubi e nanomateriali di nitruro di boro con la massima efficienza.
I sistemi Hielscher Ultrasonics sono utilizzati in tutto il mondo per la produzione di BNNT di alta qualità. Gli ultrasonici industriali Hielscher possono facilmente gestire ampiezze elevate in funzionamento continuo (24/7/365). Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente generate in modo continuo con sonotrodi standard (sonde ad ultrasuoni? corna). 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 difficili.
Hielscher Ultrasonics’ I processori industriali a ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24 e 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
I processori a ultrasuoni Hielscher per la dispersione e l'esfoliazione di nanotubi di nitruro di boro, CNT e grafene sono già installati in tutto il mondo su scala commerciale. Contattateci subito per discutere del vostro processo di produzione di BNNT! Il nostro personale esperto sarà lieto di condividere ulteriori informazioni sul processo di esfoliazione, sui sistemi a ultrasuoni e sui prezzi!
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
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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Letteratura? Riferimenti
- Sang-Woo Jeon, Shin-Hyun Kang, Jung Chul Choi, Tae-Hwan Kim (2019): Dispersion of Boron Nitride Nanotubes by Pluronic Triblock Copolymer in Aqueous Solution. Polymers 11, 2019.
- Chee Huei Lee, Dongyan Zhang, Yoke Khin Yap (2012): Functionalization, Dispersion, and Cutting of Boron Nitride Nanotubes in Water. Journal of Physical Chemistry C 116, 2012. 1798–1804.
- Lin, Yi; Williams, Tiffany; Xu, Tian-Bing; Cao, Wei; Elsayed-Ali, Hani; Connell, John (2011): Aqueous Dispersions of Few-Layered and Monolayered Hexagonal Boron Nitride Nanosheets from Sonication-Assisted Hydrolysis: Critical Role of Water. The Journal of Physical Chemistry C 2011.
- Yuanlie Yu, Hua Chen, Yun Liu, Tim White, Ying Chen (2012): Preparation and potential application of boron nitride nanocups. Materials Letters, Vol. 80, 2012. 148-151.
- Luhua Li, Ying Chen, Zbigniew H. Stachurski (2013): Boron nitride nanotube reinforced polyurethane composites. Progress in Natural Science: Materials International Vol. 23, Issue 2, 2013. 70-173.
- Yanhu Zhan, Emanuele Lago, Chiara Santillo, Antonio Esaú Del Río Castillo, Shuai Hao, Giovanna G. Buonocore, Zhenming Chen, Hesheng Xia, Marino Lavorgna, Francesco Bonaccorso (2020): An anisotropic layer-by-layer carbon nanotube/boron nitride/rubber composite and its application in electromagnetic shielding. Nanoscale 12, 2020. 7782-7791.
- Kalay, Şaban; Çobandede, Zehra; Sen, Ozlem; Emanet, Melis; Kazanc, Emine; Culha, Mustafa (2015): Synthesis of boron nitride nanotubes and their applications. Beilstein Journal of Nanotechnology Vol 6, 2015. 84-102.
Particolarità? Cose da sapere
Nanotubi e nanomateriali in nitruro di boro
I nanotubi di nitruro di boro presentano una struttura atomica unica, composta da atomi di boro e azoto disposti in una rete esagonale. Questa struttura conferisce ai BNNT numerose eccellenti proprietà intrinseche, come una resistenza meccanica superiore, un'elevata conducibilità termica, un comportamento elettricamente isolante, una proprietà piezoelettrica, una capacità di schermare i neutroni e una resistenza all'ossidazione. Il band gap di 5 eV può anche essere regolato utilizzando campi elettrici trasversali, il che rende i BNNT interessanti per i dispositivi elettronici. Inoltre, i BNNT hanno un'elevata 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 i loro omologhi 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- nei B-N ibridati sp2. (cfr. Emanet et al. 2019)
BNNT e 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.
Xeni: Gli xeni sono nanomateriali monoelementali 2D. Esempi importanti sono il borofene, il gallenene, il silicene, il germanene, lo stanene, il fosforene, l'arsenene, l'antimonene, il bismutene, il tellurene e il selenene. Gli xeni hanno proprietà materiali straordinarie, che hanno quindi il potenziale per superare le limitazioni delle applicazioni pratiche di altri materiali 2D. Per saperne di più sull'esfoliazione a ultrasuoni degli xeni!

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensioni industriali.