Nanorurki z azotku boru – Złuszczony i rozproszony za pomocą sonikacji

Ultradźwięki są z powodzeniem stosowane do przetwarzania i dyspersji nanorurek azotku boru (BNNT). Sonikacja o wysokiej intensywności zapewnia jednorodne rozszczepianie i dystrybucję w różnych roztworach, a tym samym jest kluczową techniką przetwarzania w celu włączenia BNNT do roztworów i matryc.

Ultradźwiękowe przetwarzanie nanorurek azotku boru

W celu włączenia nanorurek azotku boru (BNNT) lub nanostruktur azotku boru (BNN), takich jak nanosheets i nanoribbons do roztworów ciekłych lub matryc polimerowych, wymagana jest skuteczna i niezawodna technika dyspersji. Dyspersja ultradźwiękowa zapewnia wymaganą energię do złuszczania, rozplątywania, rozpraszania i funkcjonalizacji nanorurek azotku boru i nanostruktur azotku boru z wysoką wydajnością. Precyzyjnie kontrolowane parametry przetwarzania ultradźwięków o wysokiej intensywności (tj. energia, amplituda, czas, temperatura i ciśnienie) pozwalają na indywidualne dostosowanie warunków przetwarzania do docelowego celu procesu. Oznacza to, że intensywność ultradźwięków można regulować w odniesieniu do konkretnego preparatu (jakość BNNT, rozpuszczalnik, stężenie ciało stałe-ciecz itp.), uzyskując w ten sposób optymalne wyniki.

Zastosowania ultradźwiękowego przetwarzania BNNT i BNN obejmują pełny zakres od jednorodnej dyspersji dwuwymiarowych nanostruktur azotku boru (2D-BNN), do ich funkcjonalizacji i chemicznego złuszczania jednowarstwowego heksagonalnego azotku boru. Poniżej przedstawiamy szczegóły dotyczące dyspersji ultradźwiękowej, złuszczania i funkcjonalizacji BNNT i BNN.

Dyspersja ultradźwiękowa nanorurek azotku boru

Gdy nanorurki z azotku boru (BNNT) są stosowane do wzmacniania polimerów lub syntezy nowych materiałów, wymagana jest jednolita i niezawodna dyspersja w matrycy. Dyspergatory ultradźwiękowe są szeroko stosowane do rozpraszania nanomateriałów, takich jak CNT, nanocząstki metaliczne, cząstki typu core-shell i inne rodzaje nanocząstek w drugiej fazie.
Dyspersja ultradźwiękowa została z powodzeniem zastosowana do rozplątywania i równomiernego rozprowadzania BNNT w roztworach wodnych i niewodnych, w tym etanolu, etanolu PVP, etanolu TX100, a także różnych polimerów (np. poliuretanu).
Powszechnie stosowanym środkiem powierzchniowo czynnym do stabilizacji ultradźwiękowo przygotowanej dyspersji BNNT jest 1% wag. roztwór dodecylosiarczanu sodu (SDS). Na przykład, 5 mg BNNT rozprasza się ultradźwiękowo w fiolce z 5 ml 1% wag. SDS przy użyciu dyspergatora z sondą ultradźwiękową, takiego jak UP200St (26 kHz, 200 W).

Wodna dyspersja BNNT przy użyciu ultradźwięków

Ze względu na silne oddziaływania van der Waalsa i hydrofobową powierzchnię, nanorurki z azotku boru są słabo dyspergowalne w roztworach wodnych. Aby rozwiązać te problemy, Jeon et al. (2019) wykorzystali Pluronic P85 i F127, które mają zarówno grupy hydrofilowe, jak i hydrofobowe do funkcjonalizacji BNNT pod wpływem sonikacji.

Wolne od środków powierzchniowo czynnych złuszczanie nanosieci azotku boru za pomocą sonikacji

Lin et al. (2011) przedstawiają czystą metodę eksfoliacji i dyspersji heksagonalnego azotku boru (h-BN). Heksagonalny azotek boru jest tradycyjnie uważany za nierozpuszczalny w wodzie. Udało im się jednak wykazać, że woda jest skuteczna w złuszczaniu warstwowych struktur h-BN za pomocą ultradźwięków, tworząc "czyste" wodne dyspersje nanosieci h-BN bez użycia środków powierzchniowo czynnych lub funkcjonalizacji organicznej. Ten ultradźwiękowy proces eksfoliacji wytworzył kilkuwarstwowe nanoarkusze h-BN, a także jednowarstwowe nanoarkusze i gatunki nanowstęg. Większość nanoarkuszy miała zmniejszone rozmiary boczne, co przypisano cięciu macierzystych arkuszy h-BN wywołanych hydrolizą wspomaganą sonikacją (potwierdzoną testem amoniaku i wynikami spektroskopii). Hydroliza indukowana ultradźwiękami sprzyjała również eksfoliacji nanosheetów h-BN, wspomagając efekt polarności rozpuszczalnika. Nanocząstki h-BN w tych "czystych" wodnych dyspersjach wykazywały dobrą przetwarzalność metodami roztworowymi, zachowując swoje właściwości fizyczne. Zdyspergowane w wodzie nanosiatki h-BN wykazywały również silne powinowactwo do białek, takich jak ferrytyna, co sugeruje, że powierzchnie nanosiatek były dostępne do dalszych biokoniugacji.

Metoda dyspersji sonomechanicznej wykorzystująca kawitację ultradźwiękową i siły ścinające jest czysto fizycznym podejściem do mieszania, które okazało się zdolne do usuwania BNNT i stabilizacji poszczególnych BNNT przy jednoczesnym zachowaniu ich integralności i wewnętrznych właściwości. Stosując odpowiednią energię ultradźwiękową (Ws / ml), tj. dostosowaną amplitudę i czas trwania sonikacji, dyspersja ultradźwiękowa może równomiernie rozplątywać i rozpraszać BNNTS. Wyższe amplitudy i dłuższa sonikacja mogą być stosowane, jeśli długość nanorurek azotku boru powinna zostać zmniejszona. Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej redukcji rozmiaru i cięciu długości BNNT w następnej sekcji.

Ultradźwiękowa redukcja rozmiaru i cięcie nanorurek azotku boru

Długość nanorurek azotku boru odgrywa kluczową rolę, jeśli chodzi o późniejsze przetwarzanie BNNT w polimery i inne funkcjonalizowane materiały. Dlatego ważnym faktem jest, że sonikacja BNNT w rozpuszczalniku może nie tylko oddzielić BNNT indywidualnie, ale także skrócić BNNT o strukturze bambusa w kontrolowanych warunkach. Skrócone BNNT mają znacznie mniejszą szansę na wiązanie podczas przygotowywania kompozytów. Lee at al. (2012) wykazali, że długości funkcjonalizowanych BNNT mogą być skutecznie skracane z > 10µm do ∼500nm za pomocą ultradźwięków. Ich eksperymenty sugerują, że skuteczna dyspersja ultradźwiękowa BNNT w roztworze jest niezbędna do takiego cięcia i redukcji rozmiaru BNNT.

Wysokowydajne ultradźwięki do przetwarzania BNNT

Inteligentne funkcje ultradźwiękowców Hielscher zostały zaprojektowane tak, aby zagwarantować niezawodne działanie, powtarzalne wyniki i łatwość obsługi. Ustawienia operacyjne są łatwo dostępne i wybierane za pomocą intuicyjnego menu, do którego można uzyskać dostęp za pomocą cyfrowego kolorowego wyświetlacza dotykowego i pilota zdalnego sterowania. W związku z tym wszystkie warunki przetwarzania, takie jak energia netto, energia całkowita, amplituda, czas, ciśnienie i temperatura są automatycznie rejestrowane na wbudowanej karcie SD. Pozwala to na rewizję i porównanie poprzednich przebiegów sonikacji oraz optymalizację procesu eksfoliacji i dyspersji nanorurek azotku boru i nanomateriałów z najwyższą wydajnością.
Systemy Hielscher Ultrasonics są wykorzystywane na całym świecie do produkcji wysokiej jakości BNNT. Przemysłowe ultrasonografy firmy Hielscher mogą z łatwością pracować z wysokimi amplitudami w trybie ciągłym (24/7/365). Amplitudy do 200 µm można łatwo generować w sposób ciągły za pomocą standardowych sonotrod (sondy ultradźwiękowe / rogi). Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są dostosowane sonotrody ultradźwiękowe. Ze względu na ich solidność i niskie koszty utrzymania, nasze ultradźwiękowe systemy złuszczania i dyspersji są powszechnie instalowane do ciężkich zastosowań i w wymagających środowiskach.
Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe.
Procesory ultradźwiękowe Hielscher do dyspersji i złuszczania nanorurek azotku boru, a także CNT i grafenu są już instalowane na całym świecie na skalę komercyjną. Skontaktuj się z nami już teraz, aby omówić proces produkcji BNNT! Nasz doświadczony personel chętnie podzieli się dodatkowymi informacjami na temat procesu eksfoliacji, systemów ultradźwiękowych i cen!
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: