Nanorurki z azotku boru – Złuszczanie i dyspersja przy użyciu sonikacji
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.
Ultradźwiękowa droga do syntezy nanokubków z azotku boru
(opracowanie i grafika: Yu et al. 2012)
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.
Instalacja dyspenserów ultradźwiękowych (2x UIP1000hdT) do przetwarzania nanorurek z azotku boru na skalę przemysłową
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.
Obrazy SEM skróconych BNNTs po różnych czasach sonikacji. Jak widać, długości tych BNNTs zmniejszają się wraz ze wzrostem czasu sonikacji.
(opracowanie i zdjęcie: Lee et al. 2012)
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.
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.
(c) Dobrze rozdrobnione mPEG- DSPE/BNTs w wodzie (po 2 h sonikacji). (d) Schematyczna reprezentacja BNNT funkcjonalizowanego cząsteczką mPEG-DSPE (rys. 2).
(opracowanie i zdjęcie: Lee et al. 2012)
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:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do zastosowań mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.
Literatura / materiały źródłowe
- Sang-Woo Jeon, Shin-Hyun Kang, Jung Chul Choi, Tae-Hwan Kim (2019): Dispersion of Boron Nitride Nanotubes by Pluronic Triblock Copolymer in Aqueous Solution. Polymers 11, 2019.
- Chee Huei Lee, Dongyan Zhang, Yoke Khin Yap (2012): Functionalization, Dispersion, and Cutting of Boron Nitride Nanotubes in Water. Jouranl of Physical Chemistry C 116, 2012. 1798–1804.
- Lin, Yi; Williams, Tiffany; Xu, Tian-Bing; Cao, Wei; Elsayed-Ali, Hani; Connell, John (2011): Aqueous Dispersions of Few-Layered and Monolayered Hexagonal Boron Nitride Nanosheets from Sonication-Assisted Hydrolysis: Critical Role of Water. The Journal of Physical Chemistry C 2011.
- Yuanlie Yu, Hua Chen, Yun Liu, Tim White, Ying Chen (2012): Preparation and potential application of boron nitride nanocups. Materials Letters, Vol. 80, 2012. 148-151.
- Luhua Li, Ying Chen, Zbigniew H. Stachurski (2013): Boron nitride nanotube reinforced polyurethane composites. Progress in Natural Science: Materials International Vol. 23, Issue 2, 2013. 70-173.
- Yanhu Zhan, Emanuele Lago, Chiara Santillo, Antonio Esaú Del Río Castillo, Shuai Hao, Giovanna G. Buonocore, Zhenming Chen, Hesheng Xia, Marino Lavorgna, Francesco Bonaccorso (2020): An anisotropic layer-by-layer carbon nanotube/boron nitride/rubber composite and its application in electromagnetic shielding. Nanoscale 12, 2020. 7782-7791.
- Kalay, Şaban; Çobandede, Zehra; Sen, Ozlem; Emanet, Melis; Kazanc, Emine; Culha, Mustafa (2015): Synthesis of boron nitride nanotubes and their applications. Beilstein Journal of Nanotechnology Vol 6, 2015. 84-102.
Fakty Warto wiedzieć
Nanorurki i nanomateriały z azotku boru
Nanorurki z azotku boru posiadają unikalną strukturę atomową składającą się z atomów boru i azotu ułożonych w sieć heksagonalną. Struktura ta nadaje BNNT wiele doskonałych właściwości wewnętrznych, takich jak doskonała wytrzymałość mechaniczna, wysoka przewodność cieplna, właściwości izolacyjne, właściwości piezoelektryczne, zdolność ekranowania neutronów i odporność na utlenianie. Szczelina pasmowa o wartości 5 eV może być również regulowana za pomocą poprzecznych pól elektrycznych, co czyni BNNTs interesującymi dla urządzeń elektronicznych. Ponadto, BNNTs mają wysoką odporność na utlenianie do 800°C, wykazują doskonałą piezoelektryczność i mogą być dobrym materiałem do przechowywania wodoru w temperaturze pokojowej.
BNNTs vs Grafen: BNNTs są strukturalnymi analogami grafenu. Główna różnica pomiędzy nanomateriałami opartymi na azotku boru a ich węglowymi odpowiednikami polega na charakterze wiązań pomiędzy atomami. Wiązanie C-C w nanomateriałach węglowych ma charakter czysto kowalencyjny, podczas gdy wiązania B-N mają charakter częściowo jonowy ze względu na występowanie par e w zhybrydyzowanych sp2 B-N. (por. Emanet et al. 2019)
BNNTs vs. Nanorurki węglowe: Nanorurki azotku boru (BNNTs) wykazują podobną do nanorurek węglowych (CNTs) rurkową nanostrukturę, w której atomy boru i azotu ułożone są w heksagonalną sieć.
Firma Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do wielkość przemysłowa.