Boron Nitride Nanobuisjes – Exfoliëren en dispergeren met Sonicatie

Ultrasoon geluid wordt met succes toegepast op de verwerking en dispersie van boornitride nanobuizen (BNNTs). Sonicatie met hoge intensiteit zorgt voor een homogene ontwarring en verdeling in verschillende oplossingen en is daardoor een cruciale verwerkingstechniek om BNNT's op te nemen in oplossingen en matrices.

Ultrasone verwerking van boornitride nanobuisjes

Om nanobuizen van boornitride (BNNT's) of nanostructuren van boornitride (BNN's) zoals nanosheets en nanoribbons op te nemen in vloeibare oplossingen of polymere matrices is een efficiënte en betrouwbare dispersietechniek nodig. Ultrasone dispersie levert de vereiste energie om boornitride nanobuisjes en boornitride nanostructuren met hoge efficiëntie te exfoliëren, ontwarren, dispergeren en functionaliseren. De nauwkeurig regelbare verwerkingsparameters van ultrasoon geluid met hoge intensiteit (d.w.z. energie, amplitude, tijd, temperatuur en druk) maken het mogelijk om de verwerkingscondities individueel aan te passen aan het beoogde procesdoel. Dit betekent dat de ultrasone intensiteit kan worden aangepast aan de specifieke formulering (kwaliteit van BNNT's, oplosmiddel, vaste-vloeistofconcentratie enz.

De toepassingen van ultrasone BNNT- en BNN-verwerking bestrijken het volledige bereik van de homogene dispersie van tweedimensionale boornitride nanostructuren (2D-BNN's) tot hun functionalisatie en chemische exfoliatie van monolaag hexagonaal boornitride. Hieronder presenteren we de details over ultrasone dispersie, exfoliatie en functionalisatie van BNNTs en BNNs.

Ultrasone dispersie van boornitride nanobuisjes

Wanneer nanobuizen van boornitride (BNNTs) worden gebruikt om polymeren te versterken of om nieuwe materialen te synthetiseren, is een uniforme en betrouwbare dispersie in de matrix vereist. Ultrasone dispergeerders worden veel gebruikt om nanomaterialen zoals BNNT's, metallische nanodeeltjes, core-shell deeltjes en andere soorten nanopartikels in een tweede fase te dispergeren.
Ultrasone dispersie is met succes toegepast om BNNT's te ontwarren en gelijkmatig te verdelen in waterige en niet-waterige oplossingen, waaronder ethanol, PVP-ethanol, TX100-ethanol en verschillende polymeren (bijv. polyurethaan).
Een veelgebruikte oppervlakteactieve stof om een ultrasoon bereide BNNT-dispersie te stabiliseren is een 1%wt natriumdodecylsulfaatoplossing (SDS). Bijvoorbeeld, 5 mg BNNT's zijn ultrasoon gedispergeerd in een flacon met 5 mL van 1%wt. SDS-oplossing met behulp van een ultrasone probe-type dispergeerder zoals de UP200St (26 kHz, 200 W).

Waterige dispersie van BNNT's met ultrageluid

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

Surfactant-vrije afschilfering van Boron Nitride Nanosheets met behulp van Sonicatie

Lin et al. (2011) presenteren een schone methode voor exfoliatie en dispersie van hexagonaal boornitride (h-BN). Hexagonaal boornitride wordt traditioneel beschouwd als onoplosbaar in water. Ze konden echter aantonen dat water effectief is om de gelaagde h-BN-structuren te exfoliëren met behulp van ultrasone trillingen, waarbij "schone" waterige dispersies van h-BN-nanosheets worden gevormd zonder het gebruik van oppervlakteactieve stoffen of organische functionalisatie. Dit ultrasone exfoliatieproces produceerde zowel gelaagde h-BN-nanosheets als enkelgelaagde nanosheet- en nanoribbonsoorten. De meeste nanosheets hadden een kleinere laterale afmeting, wat werd toegeschreven aan het doorsnijden van de h-BN vellen door de sonicatie-geassisteerde hydrolyse (bevestigd door de ammoniaktest en spectroscopieresultaten). De ultrasoon geïnduceerde hydrolyse bevorderde ook de exfoliatie van h-BN nanosheets in assistentie aan het polariteitseffect van het oplosmiddel. De h-BN nanosheets in deze "schone" waterige dispersies vertoonden een goede verwerkbaarheid via oplossingsmethoden met behoud van hun fysische eigenschappen. De gedispergeerde h-BN nanosheets in water vertoonden ook een sterke affiniteit met eiwitten zoals ferritine, wat suggereert dat de nanosheetoppervlakken beschikbaar waren voor verdere bioconjugaties.

De sonomechanische dispersiemethode waarbij ultrasone cavitatie en schuifkrachten worden gebruikt, is een puur fysische mengbenadering, waarvan is bewezen dat deze BNNTs kan debundelen en individuele BNNTs kan stabiliseren met behoud van hun integriteit en intrinsieke eigenschappen. Door het toepassen van geschikte ultrasone energie (Ws/mL), d.w.z. aangepaste amplitude en sonicatieduur, kan ultrasone dispersie BNNTS ontwarren en uniform dispergeren. Hogere amplitudes en langere sonicatie kunnen worden toegepast als de lengte van de boornitride nanobuisjes moet worden verkleind. Lees meer over ultrasone verkleining en lengtesnijden van BNNTs in de volgende sectie.

Ultrasoon verkleinen en snijden van boornitride nanobuisjes

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.

Ultrasoneatoren met hoge prestaties voor BNNT-verwerking

De slimme functies van Hielscher ultrasoonapparaten zijn ontworpen om een betrouwbare werking, reproduceerbare resultaten en gebruiksvriendelijkheid te garanderen. Operationele instellingen zijn eenvoudig toegankelijk en te kiezen via een intuïtief menu dat toegankelijk is via het digitale kleuren touch-display en de browser-afstandsbediening. Daarom worden alle verwerkingscondities zoals netto-energie, totale energie, amplitude, tijd, druk en temperatuur automatisch opgeslagen op een ingebouwde SD-kaart. Hierdoor kunt u eerdere sonicatieruns herzien en vergelijken en het exfoliatie- en dispersieproces van boornitride nanobuisjes en nanomaterialen optimaliseren voor de hoogste efficiëntie.
Hielscher ultrasone systemen worden wereldwijd gebruikt voor de productie van hoogwaardige BNNTs. Hielscher industriële ultrasone systemen kunnen gemakkelijk hoge amplitudes leveren in continu bedrijf (24/7/365). Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gegenereerd met standaard sonotroden (ultrasone sondes/ hoorns). Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes verkrijgbaar. Vanwege hun robuustheid en lage onderhoudskosten worden onze ultrasone exfoliatie- en dispersiesystemen vaak geïnstalleerd voor zware toepassingen en in veeleisende omgevingen.
Hielscher Ultrasonics’ Industriële ultrasone processors kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes verkrijgbaar.
Hielscher ultrasone processors voor de dispersie en exfoliatie van boornitride nanobuizen, maar ook CNT's en grafeen zijn wereldwijd al op commerciële schaal geïnstalleerd. Neem nu contact met ons op om uw BNNT-productieproces te bespreken! Onze ervaren medewerkers geven u graag meer informatie over het exfoliatieproces, de ultrasone systemen en de prijzen!
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: