Nanotubos de nitreto de boro – Esfoliados e dispersos por sonicação

A ultrassonicação é aplicada com sucesso ao processamento e à dispersão de nanotubos de nitreto de boro (BNNTs). A sonicação de alta intensidade proporciona um desembaraçamento e uma distribuição homogéneos em várias soluções, sendo, por isso, uma técnica de processamento crucial para incorporar BNNTs em soluções e matrizes.

Processamento ultrassónico de nanotubos de nitreto de boro

Para incorporar nanotubos de nitreto de boro (BNNTs) ou nanoestruturas de nitreto de boro (BNNs), como nanofolhas e nanofitas, em soluções líquidas ou matrizes poliméricas, é necessária uma técnica de dispersão eficiente e fiável. A dispersão ultrassónica fornece a energia necessária para esfoliar, desembaraçar, dispersar e funcionalizar nanotubos de nitreto de boro e nanoestruturas de nitreto de boro com elevada eficiência. Os parâmetros de processamento dos ultrassons de alta intensidade, que podem ser controlados com precisão (isto é, energia, amplitude, tempo, temperatura e pressão), permitem ajustar individualmente as condições de processamento ao objetivo pretendido. Isto significa que a intensidade ultrassónica pode ser ajustada à formulação específica (qualidade dos BNNTs, solvente, concentração sólido-líquido, etc.), obtendo-se assim resultados ótimos.

As aplicações do processamento ultrassónico de BNNTs e BNNs abrangem toda a gama, desde a dispersão homogénea de nanoestruturas bidimensionais de nitreto de boro (2D-BNNs) até à sua funcionalização e à esfoliação química de nitreto de boro hexagonal de camada única. Abaixo, apresentamos os detalhes da dispersão, esfoliação e funcionalização ultrassónicas de BNNTs e BNNs.

Dispersão ultrassónica de nanotubos de nitreto de boro

Quando os nanotubos de nitreto de boro (BNNTs) são utilizados para reforçar polímeros ou sintetizar novos materiais, é necessária uma dispersão uniforme e fiável na matriz. Os dispersores ultrassónicos são amplamente utilizados para dispersar nanomateriais, como CNTs, nanopartículas metálicas, partículas de núcleo e casca e outros tipos de nanopartículas, numa segunda fase.
A dispersão ultrassónica tem sido aplicada com sucesso para desembaraçar e distribuir uniformemente BNNTs em soluções aquosas e não aquosas, incluindo etanol, etanol com PVP, etanol com TX100, bem como em vários polímeros (por exemplo, poliuretano).
Um tensioativo habitualmente utilizado para estabilizar uma dispersão de BNNTs preparada por ultrassons é uma solução de dodecilsulfato de sódio (SDS) a 1%wt. Por exemplo, 5 mg de BNNTs são dispersos por ultrassons num frasco com 5 mL de solução de SDS a 1%wt., utilizando um dispersor ultrassónico do tipo sonda, como o UP200St (26kHz, 200W).

Dispersão aquosa de BNNTs por ultrassons

Devido às suas fortes interações de van der Waals e à sua superfície hidrofóbica, os nanotubos de nitreto de boro são pouco dispersáveis em soluções à base de água. Para resolver estes problemas, Jeon et al. (2019) utilizaram Pluronic P85 e F127, que possuem tanto grupos hidrofílicos como grupos hidrofóbicos, para funcionalizar BNNT sob sonicação.

Esfoliação de nanofolhas de nitreto de boro sem tensioativos por sonicação

Lin et al. (2011) apresentam um método limpo de esfoliação e dispersão de nitreto de boro hexagonal (h-BN). O nitreto de boro hexagonal é tradicionalmente considerado insolúvel em água. No entanto, conseguiram demonstrar que a água é eficaz na esfoliação das estruturas em camadas de h-BN por ultrassonicação, formando dispersões aquosas “limpas” de nanofolhas de h-BN sem utilizar tensioativos ou funcionalização orgânica. Este processo de esfoliação ultrassónica produziu nanofolhas de h-BN com poucas camadas, bem como espécies de nanofolhas e nanofitas de camada única. A maioria das nanofolhas apresentava dimensões laterais reduzidas, o que foi atribuído ao corte das folhas de h-BN de origem induzido pela hidrólise assistida por sonicação (corroborado pelo teste de amoníaco e pelos resultados de espectroscopia). A hidrólise induzida por ultrassons também promoveu a esfoliação das nanofolhas de h-BN, auxiliando o efeito da polaridade do solvente. As nanofolhas de h-BN nestas dispersões aquosas “limpas” apresentaram boa processabilidade por métodos em solução, mantendo as suas características físicas. As nanofolhas de h-BN dispersas em água também apresentaram uma forte afinidade por proteínas como a ferritina, sugerindo que as superfícies das nanofolhas estavam disponíveis para bioconjugações adicionais.

O método de dispersão sonomecânica que utiliza cavitação ultrassónica e forças de cisalhamento é uma abordagem de mistura puramente física, que comprovadamente permite separar os feixes de BNNTs e estabilizar BNNTs individuais, mantendo a sua integridade e propriedades intrínsecas. Aplicando uma energia ultrassónica adequada (Ws/mL), isto é, uma amplitude e uma duração de sonicação ajustadas, a dispersão ultrassónica pode desembaraçar e dispersar uniformemente BNNTS. Podem ser aplicadas amplitudes mais elevadas e uma sonicação mais prolongada caso se pretenda reduzir o comprimento dos nanotubos de nitreto de boro. Leia mais sobre a redução de tamanho e o corte para redução do comprimento dos BNNTs por ultrassons na secção seguinte.

Redução de tamanho e corte de nanotubos de nitreto de boro por ultrassons

O comprimento dos nanotubos de nitreto de boro desempenha um papel crucial no processamento subsequente de BNNTs para incorporação em polímeros e outros materiais funcionalizados. Por conseguinte, é importante que a sonicação dos BNNTs em solvente possa não só separar os BNNTs individualmente, mas também encurtar os BNNTs com estrutura semelhante à do bambu em condições controladas. Os BNNTs encurtados têm uma probabilidade muito menor de formar feixes durante a preparação de compósitos. Lee at al. (2012) demonstraram que os comprimentos dos BNNTs funcionalizados podem ser eficientemente reduzidos de >10µm para ∼500nm por ultrassonicação. As suas experiências sugerem que a dispersão ultrassónica eficaz de BNNT em solução é necessária para esta redução de tamanho e corte de BNNT.

Sonicadores de alto desempenho para o processamento de BNNTs

As funcionalidades inteligentes dos sonicadores Hielscher foram concebidas para garantir um funcionamento fiável, resultados reprodutíveis e facilidade de utilização. As definições de funcionamento podem ser facilmente consultadas e ajustadas através de um menu intuitivo, acessível por um ecrã tátil digital a cores e por controlo remoto através de um navegador. Assim, todas as condições de processamento, como energia líquida, energia total, amplitude, tempo, pressão e temperatura, são automaticamente registadas num cartão SD integrado. Isto permite rever e comparar sessões de sonicação anteriores e otimizar o processo de esfoliação e dispersão de nanotubos de nitreto de boro e nanomateriais para alcançar a máxima eficiência.
Os sistemas Hielscher Ultrasonics são utilizados em todo o mundo para fabricar BNNTs de elevada qualidade. Os sonicadores industriais Hielscher podem funcionar facilmente com amplitudes elevadas em operação contínua (24/7/365). Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente geradas de forma contínua com sonotrodos padrão (sondas / cornetas ultrassónicas). Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. Devido à sua robustez e reduzida necessidade de manutenção, os nossos sistemas de esfoliação e dispersão ultrassónicas são habitualmente instalados para aplicações de serviço intensivo e em ambientes exigentes.
Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente mantidas de forma contínua em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados.
Os processadores ultrassónicos Hielscher para a dispersão e esfoliação de nanotubos de nitreto de boro, bem como de CNTs e grafeno, já estão instalados em todo o mundo à escala comercial. Contacte-nos agora para discutir o seu processo de fabrico de BNNTs! A nossa equipa com vasta experiência terá todo o gosto em partilhar mais informações sobre o processo de esfoliação, os sistemas ultrassónicos e os preços!
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: