Nanorurki azotku boru – eksfoliowane i dyspergowane za pomocą sonikacji

Ultradźwięki są z powodzeniem stosowane do przetwarzania i dyspergowania nanorurek azotku boru (BNNTs). Sonikacja o wysokiej intensywności zapewnia równomierne rozplątywanie i rozmieszczenie nanorurek w różnych roztworach, stanowiąc tym samym kluczową technikę przetwarzania umożliwiającą wprowadzanie BNNTs do roztworów i matryc.

Ultradźwiękowe przetwarzanie nanorurek azotku boru

Wprowadzanie nanorurek azotku boru (BNNTs) lub nanostruktur azotku boru (BNNs), takich jak nanopłatki i nanowstążki, do ciekłych roztworów lub matryc polimerowych wymaga wydajnej i niezawodnej techniki dyspergowania. Dyspergowanie ultradźwiękowe dostarcza energii niezbędnej do wysoce wydajnej eksfoliacji, rozplątywania, dyspergowania i funkcjonalizacji nanorurek oraz nanostruktur azotku boru. Parametry przetwarzania z użyciem ultradźwięków o wysokiej intensywności (tj. energia, amplituda, czas, temperatura i ciśnienie), które można precyzyjnie kontrolować, umożliwiają indywidualne dostosowanie warunków przetwarzania do zamierzonego celu procesu. Oznacza to, że intensywność ultradźwięków można dostosować do konkretnej formulacji (jakości BNNTs, rozpuszczalnika, stężenia fazy stałej w cieczy itp.), uzyskując w ten sposób optymalne wyniki.

Zastosowania ultradźwiękowego przetwarzania BNNTs i BNNs obejmują pełny zakres od jednorodnego dyspergowania dwuwymiarowych nanostruktur azotku boru (2D-BNNs), przez ich funkcjonalizację, po chemiczną eksfoliację jednowarstwowego heksagonalnego azotku boru. Poniżej przedstawiamy szczegółowe informacje dotyczące ultradźwiękowego dyspergowania, eksfoliacji i funkcjonalizacji BNNTs oraz BNNs.

Ultradźwiękowe dyspergowanie nanorurek azotku boru

Gdy nanorurki azotku boru (BNNTs) są wykorzystywane do wzmacniania polimerów lub syntezy nowych materiałów, konieczne jest ich równomierne i niezawodne dyspergowanie w matrycy. Dyspergatory ultradźwiękowe są szeroko stosowane do dyspergowania nanomateriałów, takich jak CNTs, nanocząstki metaliczne, cząstki typu rdzeń–powłoka i inne rodzaje nanocząstek, w drugiej fazie.
Dyspergowanie ultradźwiękowe z powodzeniem zastosowano do rozplątywania i równomiernego rozmieszczania BNNTs w roztworach wodnych i niewodnych, w tym w etanolu, etanolu z PVP, etanolu z TX100, a także w różnych polimerach (np. poliuretanie).
Powszechnie stosowanym środkiem powierzchniowo czynnym do stabilizacji dyspersji BNNTs przygotowanej ultradźwiękowo jest roztwór dodecylosiarczanu sodu (SDS) o stężeniu 1%wt. Na przykład 5 mg BNNTs dysperguje się ultradźwiękowo w fiolce z 5 mL roztworu SDS o stężeniu 1%wt. przy użyciu dyspergatora ultradźwiękowego z sonotrodą, takiego jak UP200St (26kHz, 200W).

Dyspergowanie BNNTs w wodzie za pomocą ultradźwięków

Ze względu na silne oddziaływania van der Waalsa i hydrofobową powierzchnię nanorurki azotku boru słabo dyspergują się w roztworach wodnych. Aby rozwiązać te problemy, Jeon et al. (2019) zastosowali Pluronic P85 i F127, które zawierają zarówno grupy hydrofilowe, jak i hydrofobowe, do funkcjonalizacji BNNT podczas sonikacji.

Eksfoliacja nanopłatków azotku boru za pomocą sonikacji bez środków powierzchniowo czynnych

Lin et al. (2011) przedstawiają czystą metodę eksfoliacji i dyspergowania heksagonalnego azotku boru (h-BN). Heksagonalny azotek boru jest tradycyjnie uznawany za nierozpuszczalny w wodzie. Autorzy zdołali jednak wykazać, że woda skutecznie umożliwia eksfoliację warstwowych struktur h-BN za pomocą ultradźwięków, prowadząc do powstania „czystych” wodnych dyspersji nanopłatków h-BN bez stosowania środków powierzchniowo czynnych ani funkcjonalizacji organicznej. Ten proces eksfoliacji ultradźwiękowej pozwolił uzyskać nanopłatki h-BN złożone z kilku warstw, a także jednowarstwowe nanopłatki i nanowstążki. Większość nanopłatków miała zmniejszone wymiary boczne, co przypisano cięciu wyjściowych płatków h-BN wywołanemu hydrolizą wspomaganą sonikacją (potwierdzoną testem na obecność amoniaku i wynikami spektroskopii). Hydroliza wywołana ultradźwiękami sprzyjała również eksfoliacji nanopłatków h-BN, wspomagając efekt polarności rozpuszczalnika. Nanopłatki h-BN w tych „czystych” dyspersjach wodnych wykazywały dobrą podatność na przetwarzanie metodami roztworowymi, zachowując swoje właściwości fizyczne. Nanopłatki h-BN zdyspergowane w wodzie wykazywały również silne powinowactwo do białek, takich jak ferrytyna, co sugeruje, że powierzchnie nanopłatków były dostępne do dalszej biokoniugacji.

Sonomechaniczna metoda dyspergowania wykorzystująca kawitację ultradźwiękową i siły ścinające jest czysto fizyczną metodą mieszania, której zdolność do rozdzielania wiązek BNNTs i stabilizacji pojedynczych BNNTs przy zachowaniu ich integralności i właściwości wewnętrznych została potwierdzona. Przy zastosowaniu odpowiedniej energii ultradźwiękowej (Ws/mL), tj. dostosowanej amplitudy i czasu sonikacji, dyspergowanie ultradźwiękowe może równomiernie rozplątywać i dyspergować BNNTS. Wyższe amplitudy i dłuższą sonikację można zastosować, jeśli długość nanorurek azotku boru ma zostać zmniejszona. Więcej informacji o ultradźwiękowym zmniejszaniu rozmiarów i skracaniu BNNTs przez cięcie można znaleźć w następnej sekcji.

Ultradźwiękowe zmniejszanie rozmiarów i cięcie nanorurek azotku boru

Długość nanorurek azotku boru odgrywa kluczową rolę w późniejszym przetwarzaniu BNNTs na polimery i inne funkcjonalizowane materiały. Istotny jest zatem fakt, że sonikacja BNNTs w rozpuszczalniku może nie tylko rozdzielać je na pojedyncze nanorurki, lecz także skracać BNNTs o strukturze bambusowej w kontrolowanych warunkach. Skrócone BNNTs mają znacznie mniejszą tendencję do tworzenia wiązek podczas przygotowywania kompozytu. Lee at al. (2012) wykazali, że długość funkcjonalizowanych BNNTs można skutecznie zmniejszyć z >10µm do ∼500nm za pomocą ultradźwięków. Ich eksperymenty sugerują, że skuteczne ultradźwiękowe dyspergowanie BNNT w roztworze jest niezbędne do takiego zmniejszania rozmiarów i cięcia BNNT.

Wysokowydajne sonikatory do przetwarzania BNNT

Inteligentne funkcje sonikatorów Hielscher zostały zaprojektowane tak, aby gwarantować niezawodną pracę, powtarzalne wyniki i łatwość obsługi. Dostęp do ustawień pracy i ich regulacja są łatwe dzięki intuicyjnemu menu, dostępnemu za pośrednictwem cyfrowego kolorowego wyświetlacza dotykowego i zdalnego sterowania przez przeglądarkę. Wszystkie warunki przetwarzania, takie jak energia netto, energia całkowita, amplituda, czas, ciśnienie i temperatura, są zatem automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD. Umożliwia to przeglądanie i porównywanie wcześniejszych przebiegów sonikacji oraz optymalizację procesu eksfoliacji i dyspergowania nanorurek azotku boru i nanomateriałów w celu uzyskania najwyższej wydajności.
Systemy Hielscher Ultrasonics są wykorzystywane na całym świecie do wytwarzania wysokiej jakości BNNTs. Przemysłowe sonikatory Hielscher mogą z łatwością pracować z wysokimi amplitudami w trybie ciągłym (24/7/365). Amplitudy do 200µm można z łatwością generować w sposób ciągły przy użyciu standardowych sonotrod (sonotrod ultradźwiękowych). Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie. Ze względu na solidną konstrukcję i niewielkie wymagania konserwacyjne nasze systemy ultradźwiękowej eksfoliacji i dyspergowania są powszechnie instalowane do zastosowań wymagających intensywnej eksploatacji oraz w wymagających środowiskach.
Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Praca ciągła z amplitudami do 200µm w trybie 24/7 jest łatwa do uzyskania. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie.
Procesory ultradźwiękowe Hielscher do dyspergowania i eksfoliacji nanorurek azotku boru, a także CNTs i grafenu, są już zainstalowane na całym świecie na skalę komercyjną. Skontaktuj się z nami już teraz, aby omówić swój proces wytwarzania BNNT! Nasz doświadczony personel chętnie udzieli dodatkowych informacji o procesie eksfoliacji, systemach ultradźwiękowych i cenach!
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: