窒化ホウ素ナノチューブ – 超音波処理による剥離と分散

超音波処理は、窒化ホウ素ナノチューブ（BNNT）の処理と分散にうまく適用されている。高強度超音波処理は、様々な溶液中で均質な剥離と分散をもたらし、BNNTを溶液やマトリックスに組み込むための重要な処理技術である。

窒化ホウ素ナノチューブの超音波加工

窒化ホウ素ナノチューブ（BNNT）やナノシート、ナノリボンなどの窒化ホウ素ナノ構造（BNN）を液体溶液やポリマーマトリクスに組み込むためには、効率的で信頼性の高い分散技術が必要である。超音波分散は、窒化ホウ素ナノチューブや窒化ホウ素ナノ構造を高効率で剥離、剥離、分散、機能化するために必要なエネルギーを提供します。高強度超音波の処理パラメーター（エネルギー、振幅、時間、温度、圧力など）は精密に制御できるため、処理条件を目標とするプロセス目標に合わせて個別に調整することができる。つまり、特定の配合（BNNTの品質、溶媒、固液濃度など）に関して超音波強度を調整することができ、それによって最適な結果を得ることができる。

超音波BNNTおよびBNN処理の応用は、二次元窒化ホウ素ナノ構造（2D-BNNs）の均一分散から、それらの機能化および単層六方晶窒化ホウ素の化学的剥離まで、あらゆる範囲をカバーしている。 以下では、BNNTおよびBNNの超音波分散、剥離、機能化の詳細について紹介する。

窒化ホウ素ナノチューブの超音波分散

窒化ホウ素ナノチューブ（BNNT）をポリマーの強化や新材料の合成に使用する場合、マトリックス中への均一で信頼性の高い分散が求められる。超音波分散機は、CNT、金属ナノ粒子、コアシェル粒子、その他のタイプのナノ粒子などのナノ材料を第二相に分散させるために広く使用されています。
超音波分散は、エタノール、PVPエタノール、TX100エタノール、さまざまなポリマー（ポリウレタンなど）を含む水溶液や非水溶液中でBNNTを剥離し、均一に分散させることに成功している。
超音波で調製したBNNT分散液を安定化させるために一般的に使用される界面活性剤は、1％重量ドデシル硫酸ナトリウム（SDS）溶液である。例えば、5mgのBNNTを5mLの1％重量SDS溶液を入れたバイアルに超音波分散させる。のような超音波プローブ型分散機を用いて、5mgのBNNTを5mLのSDS溶液に超音波分散させる。 UP200St（26kHz、200W）.

超音波を用いたBNNTの水分散

強いファンデルワールス相互作用と疎水性表面のために、窒化ホウ素ナノチューブは水性溶液への分散性が低い。これらの問題を解決するために、Jeonら（2019）は、超音波処理下でBNNTを官能基化するために、親水基と疎水基の両方を持つPluronic P85とF127を使用した。

超音波による窒化ホウ素ナノシートの界面活性剤フリー剥離

Linら(2011)は、六方晶窒化ホウ素(h-BN)のクリーンな剥離・分散法を紹介している。六方晶窒化ホウ素は従来、水に溶けないと考えられてきた。しかし、研究チームは、超音波処理によって層状h-BN構造を剥離し、界面活性剤や有機官能基を使用せずにh-BNナノシートの「クリーンな」水分散液を形成するために、水が有効であることを実証することができた。この超音波剥離プロセスにより、数層のh-BNナノシートだけでなく、単層のナノシートやナノリボンも生成した。ほとんどのナノシートは横方向のサイズが減少していたが、これは超音波アシスト加水分解によって引き起こされた親h-BNシートの切断に起因するものであった（アンモニア試験と分光学の結果によって裏付けられた）。超音波による加水分解は、溶媒の極性効果も補助してh-BNナノシートの剥離を促進した。これらの "クリーン "な水分散液中のh-BNナノシートは、その物理的特性を保持したまま、溶液法による良好な加工性を示した。また、水中に分散したh-BNナノシートは、フェリチンなどのタンパク質に対して強い親和性を示し、ナノシート表面がさらなるバイオコンジュゲーションに利用可能であることを示唆した。

超音波キャビテーションとせん断力を利用した超音波機械分散法は、純粋に物理的な混合アプローチであり、BNNTの完全性と固有の特性を維持しながら、BNNTを脱バンドリングし、個々のBNNTを安定化できることが証明されている。適切な超音波エネルギー（Ws/mL）、すなわち調整された振幅と超音波処理時間を適用することで、超音波分散はBNNTSを均一に剥離・分散させることができる。窒化ホウ素ナノチューブの長さを短くしたい場合は、より高い振幅とより長い超音波処理を適用できます。BNNTの超音波によるサイズ縮小と長さ切断については、次のセクションで詳しく説明する。

窒化ホウ素ナノチューブの超音波によるサイズ縮小と切断

窒化ホウ素ナノチューブの長さは、BNNTをポリマーやその他の機能性材料に加工する際に重要な役割を果たす。従って、溶媒中でBNNTを超音波処理することで、BNNTを個々に分離できるだけでなく、制御された条件下で竹構造のBNNTを短くできることは重要な事実である。Leeら（2012）は、超音波処理によって官能基化BNNTの長さを10μm以上から500nm程度まで効率的に短縮できることを示した。彼らの実験は、このようなBNNTのサイズ縮小と切断には、溶液中のBNNTの効果的な超音波分散が必要であることを示唆している。

BNNT加工用高性能超音波発生装置

Hielscher社製超音波発生装置のスマートな機能は、信頼性の高い操作、再現性の高い結果、使いやすさを保証するように設計されています。操作設定は、デジタルカラータッチディスプレイとブラウザリモコンからアクセスできる直感的なメニューから簡単にアクセスし、呼び出すことができます。そのため、正味エネルギー、総エネルギー、振幅、時間、圧力、温度など、すべての処理条件が内蔵SDカードに自動的に記録されます。これにより、過去の超音波処理を修正・比較し、窒化ホウ素ナノチューブやナノ材料の剥離・分散プロセスを最高の効率で最適化することができます。
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下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：