Boornitridenanobuisjes – geëxfolieerd en gedispergeerd met sonicatie

Ultrasone behandeling wordt met succes toegepast voor de verwerking en dispersie van boornitridenanobuisjes (BNNTs). Sonicatie met hoge intensiteit zorgt voor een homogene ontwarring en verdeling in verschillende oplossingen en is daarmee een cruciale verwerkingstechniek om BNNTs in oplossingen en matrices op te nemen.

Ultrasone verwerking van boornitridenanobuisjes

Om boornitridenanobuisjes (BNNTs) of boornitridenanostructuren (BNNs), zoals nanoplaten en nanolinten, in vloeibare oplossingen of polymeermatrices op te nemen, is een efficiënte en betrouwbare dispersietechniek nodig. Ultrasone dispersie levert de benodigde energie om boornitridenanobuisjes en boornitridenanostructuren met hoge efficiëntie te exfoliëren, ontwarren, dispergeren en functionaliseren. De nauwkeurig regelbare verwerkingsparameters van ultrageluid met hoge intensiteit (d.w.z. energie, amplitude, tijd, temperatuur en druk) maken het mogelijk de verwerkingsomstandigheden afzonderlijk op het beoogde procesdoel af te stemmen. Dit betekent dat de ultrasone intensiteit kan worden aangepast aan de specifieke formulering (kwaliteit van de BNNTs, oplosmiddel, concentratie vaste stof–vloeistof enz.), zodat optimale resultaten worden verkregen.

De toepassingen van ultrasone verwerking van BNNTs en BNNs bestrijken het volledige spectrum, van de homogene dispersie van tweedimensionale boornitridenanostructuren (2D-BNNs) tot hun functionalisering en de chemische exfoliatie van enkellaags hexagonaal boornitride. Hieronder gaan we nader in op de ultrasone dispersie, exfoliatie en functionalisering van BNNTs en BNNs.

Ultrasone dispersie van boornitridenanobuisjes

Wanneer boornitridenanobuisjes (BNNTs) worden gebruikt om polymeren te versterken of nieuwe materialen te synthetiseren, is een uniforme en betrouwbare dispersie in de matrix nodig. Ultrasone dispergeerapparaten worden veelvuldig gebruikt om nanomaterialen zoals CNTs, metallische nanodeeltjes, kern-schildeeltjes en andere soorten nanodeeltjes in een tweede fase te dispergeren.
Ultrasone dispersie is met succes toegepast om BNNTs te ontwarren en uniform te verdelen in waterige en niet-waterige oplossingen, waaronder ethanol, ethanol met PVP en ethanol met TX100, en in verschillende polymeren (bijv. polyurethaan).
Een veelgebruikte oppervlakteactieve stof voor het stabiliseren van een ultrasoon bereide dispersie van BNNTs is een oplossing met 1%wt natriumdodecylsulfaat (SDS). Zo wordt bijvoorbeeld 5 mg BNNTs ultrasoon gedispergeerd in een monsterflesje met 5 mL SDS-oplossing van 1%wt., met behulp van een ultrasoon dispergeerapparaat met een sonde, zoals de UP200St (26kHz, 200W).

Waterige dispersie van BNNTs met ultrageluid

Door hun sterke van der Waals-interacties en hydrofobe oppervlak zijn boornitridenanobuisjes slecht dispergeerbaar in oplossingen op waterbasis. Om deze problemen op te lossen, gebruikten Jeon et al. (2019) Pluronic P85 en F127, die zowel hydrofiele als hydrofobe groepen hebben, om BNNT tijdens sonicatie te functionaliseren.

Exfoliatie van boornitridenanoplaten zonder oppervlakteactieve stoffen met sonicatie

Lin et al. (2011) presenteren een schone methode voor de exfoliatie en dispersie van hexagonaal boornitride (h-BN). Hexagonaal boornitride wordt traditioneel als onoplosbaar in water beschouwd. Zij konden echter aantonen dat water effectief is voor het exfoliëren van de gelaagde h-BN-structuren met ultrasone behandeling, waarbij ‘schone’ waterige dispersies van h-BN-nanoplaten worden gevormd zonder gebruik van oppervlakteactieve stoffen of organische functionalisering. Dit ultrasone exfoliatieproces leverde h-BN-nanoplaten met enkele lagen op, evenals enkellaagse nanoplaten en nanolinten. De meeste nanoplaten hadden kleinere laterale afmetingen, wat werd toegeschreven aan het doorsnijden van de oorspronkelijke h-BN-platen door hydrolyse die door sonicatie werd ondersteund (bevestigd door de ammoniaktest en de spectroscopieresultaten). De ultrasoon geïnduceerde hydrolyse bevorderde ook de exfoliatie van h-BN-nanoplaten door het effect van de polariteit van het oplosmiddel te ondersteunen. De h-BN-nanoplaten in deze ‘schone’ waterige dispersies waren goed verwerkbaar via oplossingsmethoden, met behoud van hun fysische eigenschappen. De in water gedispergeerde h-BN-nanoplaten vertoonden ook een sterke affiniteit voor eiwitten zoals ferritine, wat erop wijst dat de oppervlakken van de nanoplaten beschikbaar waren voor verdere bioconjugatie.

De sonomechanische dispersiemethode met ultrasone cavitatie en afschuifkrachten is een zuiver fysische mengmethode, waarvan is aangetoond dat deze bundels van BNNTs kan scheiden en afzonderlijke BNNTs kan stabiliseren met behoud van hun integriteit en intrinsieke eigenschappen. Door geschikte ultrasone energie (Ws/mL) toe te passen, d.w.z. met een aangepaste amplitude en sonicatieduur, kan ultrasone dispersie BNNTS ontwarren en uniform dispergeren. Hogere amplitudes en een langere sonicatie kunnen worden toegepast als de lengte van de boornitridenanobuisjes moet worden verkleind. Lees in de volgende paragraaf meer over ultrasone verkleining en het op lengte snijden van BNNTs.

Ultrasone verkleining en het snijden van boornitridenanobuisjes

De lengte van boornitridenanobuisjes speelt een cruciale rol bij de daaropvolgende verwerking van BNNTs in polymeren en andere gefunctionaliseerde materialen. Daarom is het belangrijk dat sonicatie van BNNTs in een oplosmiddel de BNNTs niet alleen afzonderlijk kan scheiden, maar ook de BNNTs met een bamboestructuur onder gecontroleerde omstandigheden kan verkorten. De verkorte BNNTs hebben een veel kleinere kans op bundelvorming tijdens de bereiding van composieten. Lee at al. (2012) toonden aan dat de lengte van gefunctionaliseerde BNNTs met ultrasone behandeling efficiënt kan worden verkort van >10µm tot ∼500nm. Hun experimenten suggereren dat effectieve ultrasone dispersie van BNNT in een oplossing noodzakelijk is voor dergelijke verkleining en het snijden van BNNT.

Sonicatoren met hoge prestaties voor de verwerking van BNNTs

De slimme functies van sonicatoren van Hielscher zijn ontworpen om een betrouwbare werking, reproduceerbare resultaten en gebruiksvriendelijkheid te garanderen. Bedrijfsinstellingen kunnen eenvoudig worden opgeroepen en ingesteld via een intuïtief menu, dat toegankelijk is via een digitaal kleurentouchscreen en afstandsbediening via een browser. Daarom worden alle verwerkingsomstandigheden, zoals netto-energie, totale energie, amplitude, tijd, druk en temperatuur, automatisch op een ingebouwde SD-kaart vastgelegd. Hiermee kunt u eerdere sonicatiebehandelingen opnieuw bekijken en vergelijken en het exfoliatie- en dispersieproces van boornitridenanobuisjes en nanomaterialen optimaliseren voor de hoogste efficiëntie.
Systemen van Hielscher Ultrasonics worden wereldwijd gebruikt voor de productie van hoogwaardige BNNTs. Industriële sonicatoren van Hielscher kunnen gemakkelijk continu (24/7/365) met hoge amplitudes werken. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden opgewekt met standaardsonotrodes (ultrasone sondes / hoorns). Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar. Vanwege hun robuustheid en geringe onderhoudsbehoefte worden onze ultrasone exfoliatie- en dispersiesystemen vaak geïnstalleerd voor zware toepassingen en in veeleisende omgevingen.
De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden aangehouden bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar.
Ultrasone processoren van Hielscher voor de dispersie en exfoliatie van boornitridenanobuisjes, evenals CNTs en grafeen, zijn al wereldwijd op commerciële schaal geïnstalleerd. Neem nu contact met ons op om uw productieproces voor BNNTs te bespreken! Onze zeer ervaren medewerkers geven u graag meer informatie over het exfoliatieproces, ultrasone systemen en prijzen!
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: