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

Ultradźwiękowa obróbka nanorurek z azotku boru (Boron Nitride Nanotubes)

Aby wprowadzić nanorurki azotku boru (BNNT) lub nanostruktury azotku boru (BNN), takie jak nanosiatki i nanoribony do roztworów ciekłych lub matryc polimerowych, wymagana jest wydajna i niezawodna technika dyspersji. Dyspersja ultradźwiękowa zapewnia wymaganą energię do złuszczania, rozplątywania, dyspersji i funkcjonalizacji nanorurek i nanostruktur azotku boru z wysoką wydajnością. Precyzyjnie regulowane parametry obróbki ultradźwiękowej o wysokiej intensywności (tj. energia, amplituda, czas, temperatura i ciśnienie) pozwalają na indywidualne dostosowanie warunków obróbki do założonego celu procesu. Oznacza to, że intensywność ultradźwięków może być dostosowana do konkretnej formulacji (jakość BNNTs, rozpuszczalnik, stężenie ciało stałe-ciecz itp.), co pozwala uzyskać optymalne rezultaty.

Zastosowania ultradźwiękowej obróbki BNNT i BNNs obejmują pełen zakres od homogenicznej dyspersji dwuwymiarowych nanostruktur azotku boru (2D-BNNs), do ich funkcjonalizacji i chemicznej eksfoliacji jednowarstwowego heksagonalnego azotku boru. Poniżej przedstawiamy szczegóły dotyczące ultradźwiękowej dyspersji, eksfoliacji i funkcjonalizacji BNNTs i BNNs.

Ultradźwiękowa dyspersja nanorurek z azotku boru

Kiedy nanorurki azotku boru (BNNTs) są używane do wzmacniania polimerów lub do syntezy nowych materiałów, wymagana jest jednolita i niezawodna dyspersja w matrycy. Dyspergatory ultradźwiękowe są szeroko stosowane do dyspersji nano materiałów, takich jak CNTs, nanocząstki metaliczne, cząstki typu core-shell i inne rodzaje nano cząstek do drugiej fazy.
Dyspersja ultradźwiękowa została z powodzeniem zastosowana do rozplątywania i równomiernego rozprowadzania BNNT w roztworach wodnych i niewodnych, w tym w etanolu, etanolu PVP, etanolu TX100, a także w różnych polimerach (np. poliuretanach).
Powszechnie stosowanym środkiem powierzchniowo czynnym do stabilizacji ultradźwiękowo przygotowanej dyspersji BNNT jest 1% roztwór dodecylosiarczanu sodu (SDS). Na przykład, 5 mg BNNT jest dyspergowane ultradźwiękowo w fiolce z 5 mL 1%wt. SDS przy użyciu dyspergatora ultradźwiękowego typu sonda, takiego jak np. UP200St (26kHz, 200W).

Dyspersja BNNTs w wodzie przy użyciu ultradźwięków

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

Bezsurfaktantowa eksfoliacja nanoszkieletów azotku boru za pomocą sonikacji

Lin et al. (2011) przedstawiają czystą metodę eksfoliacji i dyspersji heksagonalnego azotku boru (h-BN). Sześciokątny azotek boru jest tradycyjnie uważany za nierozpuszczalny w wodzie. Jednakże, udało im się wykazać, że woda jest skuteczna do złuszczania warstwowych struktur h-BN za pomocą ultradźwięków, tworząc "czyste" wodne dyspersje nanoszkieletów h-BN bez użycia środków powierzchniowo czynnych lub funkcjonalizacji organicznej. W procesie eksfoliacji ultradźwiękowej otrzymano zarówno kilkuwarstwowe nano-arkusze h-BN, jak i monowarstwowe nano-arkusze i nanowłókna. Większość nanoszkieletów miała zredukowane rozmiary poprzeczne, co przypisano cięciu macierzystych arkuszy h-BN wywołanemu przez hydrolizę wspomaganą sonikacją (potwierdzone testem amoniakalnym i wynikami spektroskopii). Ultradźwiękowo indukowana hydroliza również promowała eksfoliację arkuszy h-BN, wspomagając efekt polarności rozpuszczalnika. Nanosieci h-BN w tych "czystych" dyspersjach wodnych wykazywały dobrą przetwarzalność metodami roztworowymi, zachowując swoje właściwości fizyczne. Zdyspergowane w wodzie nano-arkusze h-BN wykazywały również silne powinowactwo do białek takich jak ferrytyna, co sugeruje, że powierzchnie nano-arkuszy są dostępne dla dalszych bio-koniugacji.

Metoda dyspersji sono-mechanicznej wykorzystująca kawitację ultradźwiękową i siły ścinające jest czysto fizyczną metodą mieszania, która okazała się zdolna do usuwania BNNTs i stabilizacji pojedynczych BNNTs przy zachowaniu ich integralności i właściwości wewnętrznych. Stosując odpowiednią energię ultradźwięków (Ws/mL), tj. dostosowaną amplitudę i czas sonikacji, dyspersja ultradźwiękowa może rozplątywać i równomiernie rozpraszać BNNT. Wyższe amplitudy i dłuższy czas sonikacji można zastosować w przypadku konieczności zmniejszenia długości nanorurek z azotku boru. Więcej o ultradźwiękowym zmniejszaniu rozmiaru i skracaniu długości BNNTs przeczytasz w następnym rozdziale.

Ultradźwiękowe zmniejszanie rozmiaru i cięcie nanorurek z azotku boru

Długość nanorurek z azotku boru odgrywa kluczową rolę w późniejszym przetwarzaniu BNNTs w polimery i inne funkcjonalizowane materiały. Dlatego ważnym faktem jest, że sonikacja BNNTs w rozpuszczalniku może nie tylko oddzielić BNNTs indywidualnie, ale również skrócić bambusową strukturę BNNTs w kontrolowanych warunkach. Lee i wsp. (2012) wykazali, że długość funkcjonalizowanych BNNTs może być efektywnie skrócona z >10µm do ∼500nm poprzez zastosowanie ultradźwięków. Ich eksperymenty sugerują, że efektywna ultradźwiękowa dyspersja BNNT w roztworze jest niezbędna do takiego cięcia i redukcji rozmiaru BNNT.

Wysokowydajne ultradźwiękowce do przetwarzania BNNT

Inteligentne funkcje ultradźwiękowych urządzeń firmy Hielscher gwarantują niezawodną pracę, powtarzalne wyniki i łatwość obsługi. Ustawienia robocze są łatwo dostępne i wybierane za pomocą intuicyjnego menu, dostępnego za pomocą cyfrowego kolorowego wyświetlacza dotykowego i zdalnego sterowania przez przeglądarkę. Wszystkie warunki przetwarzania, takie jak energia netto, energia całkowita, amplituda, czas, ciśnienie i temperatura są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD. Pozwala to na weryfikację i porównanie poprzednich przebiegów sonikacji oraz na optymalizację procesu eksfoliacji i dyspersji nanorurek i nanomateriałów z azotku boru z najwyższą wydajnością.
Ultradźwiękowe urządzenia firmy Hielscher są stosowane na całym świecie do produkcji wysokiej jakości BNNT. Ultradźwiękowe urządzenia przemysłowe firmy Hielscher mogą bez problemu pracować w trybie ciągłym (24/7/365) z wysokimi amplitudami. Amplitudy do 200µm mogą być łatwo generowane w sposób ciągły za pomocą standardowych sonotrod (sond ultradźwiękowych / tub). Dla jeszcze większych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do potrzeb klienta. Ze względu na ich solidność i niskie koszty utrzymania, nasze ultradźwiękowe systemy eksfoliacji i dyspersji są powszechnie instalowane do ciężkich zastosowań i w wymagających środowiskach.
Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo duże amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością pracować w trybie ciągłym w trybie 24/7. Dla jeszcze większych amplitud dostępne są indywidualne sondy ultradźwiękowe.
Ultradźwiękowe procesory firmy Hielscher do dyspersji i eksfoliacji nanorurek z azotku boru, CNT i grafenu są już zainstalowane na całym świecie w skali komercyjnej. Skontaktuj się z nami teraz, aby omówić Twój proces produkcji BNNT! Nasi doświadczeni pracownicy chętnie podzielą się z Państwem informacjami na temat procesu eksfoliacji, systemów ultradźwiękowych i cen!
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: