질화 붕소 나노튜브 – 초음파 처리를 통한 박리 및 분산

초음파 처리는 질화 붕소 나노튜브(BNNTs)의 가공 및 분산에 성공적으로 적용되고 있습니다. 고강도 초음파 처리는 다양한 용액에서 얽힘을 균일하게 풀고 고르게 분포시키므로, BNNTs를 용액과 매트릭스에 도입하는 데 중요한 가공 기술입니다.

질화 붕소 나노튜브의 초음파 가공

질화 붕소 나노튜브(BNNTs) 또는 나노시트와 나노리본 같은 질화 붕소 나노구조체(BNNs)를 액체 용액이나 고분자 매트릭스에 도입하려면 효율적이고 신뢰할 수 있는 분산 기술이 필요합니다. 초음파 분산은 질화 붕소 나노튜브와 질화 붕소 나노구조체를 높은 효율로 박리하고, 얽힘을 풀고, 분산시키고, 기능화하는 데 필요한 에너지를 제공합니다. 고강도 초음파의 가공 매개변수(즉, 에너지, 진폭, 시간, 온도 및 압력)를 정밀하게 제어할 수 있으므로, 목표하는 공정 목적에 맞게 가공 조건을 개별적으로 조정할 수 있습니다. 이는 특정 배합 조건(BNNTs의 품질, 용매, 고체–액체 농도 등)에 따라 초음파 강도를 조정하여 최적의 결과를 얻을 수 있음을 의미합니다.

BNNT 및 BNN의 초음파 가공은 이차원 질화 붕소 나노구조체(2D-BNNs)의 균일한 분산부터 기능화와 단층 육방정계 질화 붕소의 화학적 박리에 이르기까지 전 범위에 걸쳐 적용됩니다. 아래에서는 BNNTs와 BNNs의 초음파 분산, 박리 및 기능화에 대해 자세히 설명합니다.

질화 붕소 나노튜브의 초음파 분산

질화 붕소 나노튜브(BNNTs)를 고분자 보강이나 신소재 합성에 사용하는 경우, 매트릭스 내에 균일하고 신뢰성 있게 분산시켜야 합니다. 초음파 분산기는 CNTs, 금속 나노입자, 코어–셸 입자 및 기타 유형의 나노입자와 같은 나노소재를 제이상에 분산시키는 데 널리 사용됩니다.
초음파 분산은 에탄올, PVP 에탄올, TX100 에탄올을 비롯한 수계 및 비수계 용액과 다양한 고분자(예: 폴리우레탄)에서 BNNTs의 얽힘을 풀고 균일하게 분포시키는 데 성공적으로 적용되어 왔습니다.
초음파로 제조한 BNNT 분산액을 안정화하는 데 흔히 사용하는 계면활성제는 1%wt 도데실 황산 나트륨(SDS) 용액입니다. 예를 들어, 다음과 같은 초음파 프로브형 분산기를 사용하여 바이알 내 1%wt. SDS 용액 5 mL에 BNNTs 5 mg을 초음파로 분산시킵니다: UP200St (26kHz, 200W).

초음파를 이용한 BNNTs의 수계 분산

질화 붕소 나노튜브는 강한 반데르발스 상호작용과 소수성 표면으로 인해 수계 용액에 잘 분산되지 않습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Jeon et al. (2019)은 친수성 기와 소수성 기를 모두 갖는 Pluronic P85와 F127을 사용하여 초음파 처리하면서 BNNT를 기능화했습니다.

초음파 처리를 이용한 계면활성제 없는 질화 붕소 나노시트 박리

Lin et al. (2011)은 육방정계 질화붕소(h-BN)의 청정 박리 및 분산 방법을 제시합니다. 육방정계 질화붕소는 전통적으로 물에 불용성인 것으로 여겨집니다. 그러나 이들은 초음파 처리를 통해 층상 h-BN 구조를 박리하는 데 물이 효과적이며, 계면활성제나 유기 기능화 없이 h-BN 나노시트의 “청정” 수분산액을 형성할 수 있음을 입증했습니다. 이 초음파 박리 공정에서는 소수층 h-BN 나노시트뿐만 아니라 단층 나노시트와 나노리본 형태도 생성되었습니다. 대부분의 나노시트는 측면 크기가 감소했으며, 이는 초음파 보조 가수분해로 인해 원래의 h-BN 시트가 절단되었기 때문으로 해석되었습니다(암모니아 시험 및 분광 분석 결과로 뒷받침됨). 초음파로 유도된 가수분해는 용매의 극성 효과를 보조하여 h-BN 나노시트의 박리를 촉진하기도 했습니다. 이러한 “청정” 수분산액의 h-BN 나노시트는 물리적 특성을 유지하면서 용액 기반 방법을 통한 우수한 가공성을 나타냈습니다. 물에 분산된 h-BN 나노시트는 페리틴과 같은 단백질에 대해서도 강한 친화성을 나타냈으며, 이는 나노시트 표면을 추가적인 생체 접합에 이용할 수 있음을 시사합니다.

초음파 캐비테이션과 전단력을 이용하는 초음파 기계적 분산법은 순수한 물리적 혼합 방식으로, BNNT의 온전한 구조와 고유 특성을 유지하면서 BNNT 다발을 풀고 개별 BNNT를 안정화할 수 있음이 입증되었습니다. 적절한 초음파 에너지(Ws/mL), 즉 조정된 진폭과 초음파 처리 시간을 적용하면 초음파 분산을 통해 BNNTS의 얽힘을 풀고 균일하게 분산할 수 있습니다. 질화붕소 나노튜브의 길이를 줄여야 하는 경우에는 더 높은 진폭과 더 긴 초음파 처리 시간을 적용할 수 있습니다. 다음 절에서 초음파를 이용한 BNNT의 크기 감소 및 길이 절단에 대해 자세히 알아보십시오.

초음파를 이용한 질화붕소 나노튜브의 크기 감소 및 절단

질화붕소 나노튜브의 길이는 이후 BNNT를 고분자 및 기타 기능화 소재로 가공할 때 중요한 역할을 합니다. 따라서 용매 내 BNNT의 초음파 처리를 통해 BNNT를 개별적으로 분리할 수 있을 뿐만 아니라 제어된 조건에서 대나무 구조의 BNNT를 짧게 만들 수도 있다는 점은 중요합니다. 짧아진 BNNT는 복합재 제조 중 다발을 형성할 가능성이 훨씬 낮습니다. Lee et al. (2012)은 초음파 처리를 통해 기능화된 BNNT의 길이를 >10µm에서 ∼500nm로 효율적으로 줄일 수 있음을 입증했습니다. 이들의 실험은 이러한 BNNT의 크기 감소 및 절단을 위해서는 용액 내 BNNT의 효과적인 초음파 분산이 필요함을 시사합니다.

BNNT 가공용 고성능 초음파 처리 장치

Hielscher 초음파 장비의 스마트 기능은 신뢰할 수 있는 작동, 재현 가능한 결과 및 사용자 편의성을 보장하도록 설계되었습니다. 디지털 컬러 터치 디스플레이와 브라우저 원격 제어를 통해 이용할 수 있는 직관적인 메뉴에서 작동 설정에 쉽게 접근하고 값을 조정할 수 있습니다. 따라서 순에너지, 총에너지, 진폭, 시간, 압력 및 온도와 같은 모든 처리 조건이 내장 SD 카드에 자동으로 기록됩니다. 이를 통해 이전 초음파 처리 작업을 검토하고 비교할 수 있으며, 질화붕소 나노튜브와 나노소재의 박리 및 분산 공정 효율을 최고 수준으로 최적화할 수 있습니다.
Hielscher Ultrasonics 시스템은 고품질 BNNT 제조에 전 세계적으로 사용되고 있습니다. Hielscher 산업용 초음파 장비는 연속 운전(24/7/365) 중에도 높은 진폭으로 쉽게 작동할 수 있습니다. 표준 소노트로드(초음파 프로브 / 혼)로 최대 200µm의 진폭을 쉽게 연속적으로 생성할 수 있습니다. 이보다 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 당사의 초음파 박리 및 분산 시스템은 견고하고 유지보수 요구가 적어 고부하 작업과 까다로운 환경에 널리 설치됩니다.
Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 24/7 운전에서 최대 200µm의 진폭으로 쉽게 연속 작동할 수 있습니다. 이보다 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다.
질화붕소 나노튜브뿐 아니라 CNT와 그래핀의 분산 및 박리를 위한 Hielscher 초음파 프로세서는 이미 전 세계에 상업적 규모로 설치되어 있습니다. BNNT 제조 공정을 상담하려면 지금 문의하세요! 풍부한 경험을 갖춘 당사 직원이 박리 공정, 초음파 시스템 및 가격에 관한 자세한 정보를 기꺼이 제공해 드립니다!
아래 표는 당사 초음파 장비의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다: