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

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.

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: