Nanotubos de nitreto de boro – Esfoliante e dispersado usando Sonication

A ultrassônica é aplicada com sucesso ao processamento e dispersão de nanotubos de nitreto de boro (BNNTs). A sônica de alta intensidade fornece desequicro e distribuição homogênea em várias soluções e, portanto, é uma técnica de processamento crucial para incorporar BNNTs em soluções e matrizes.

Processamento ultrassônico de nanotubos de nitreto de boro

Para incorporar nanotubos de nitreto de boro (BNNTs) ou nanoestruturas de nitreto de boro (BNNs) como nanofolhas e nanofibons em soluções líquidas ou matrizes poliméricas, é necessária uma técnica de dispersão eficiente e confiável. A dispersão ultrassônica fornece a energia necessária para esfoliar, desestruturar, dispersar e funcionalizar nanotubos de nitreto de boro e nanoestruturas de nitreto de boro com alta eficiência. Os parâmetros de processamento precisamente controláveis do ultrassom de alta intensidade (ou seja, energia, amplitude, tempo, temperatura e pressão) permitem ajustar individualmente as condições de processamento ao objetivo do processo direcionado. Isso significa que a intensidade ultrassônica pode ser ajustada em relação à formulação específica (qualidade de BNNTs, solvente, concentração de líquido sólido etc.), obtendo assim resultados ótimos.

Boron nitride nanotubes (BNNTs) can be synthesized using sonication

Caminho ultrassônico para sintetizar nanocups de nitreto de boro
(estudo e gráfico: Yu et al. 2012)

As aplicações do processamento ultrassônico BNNT e BNN abrangem a faixa completa desde a dispersão homogênea de nanoestruturas de nitreto bidimensional de boro (2D-BNNs), até sua funcionalização e esfoliação química do nitreto de boro hexagonal mono-camada. Abaixo, apresentamos os detalhes sobre dispersão ultrassônica, esfoliação e funcionalização de BNNTs e BNNs.

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Dispersion of boron nitride nanotubes using high-intensity ultrasonicators from Hielscher Ultrasonics

Instalação de dispersores ultrassônicos (2x UIP1000hdT) para o processamento de nanotubos de nitreto de boro em escala industrial

Dispersão Ultrassônica de Nanotubos de Nitreto de Boro

Quando os nanotubos de nitreto de boro (BNNTs) são usados para reforçar polímeros ou para sintetizar novos materiais, é necessária uma dispersão uniforme e confiável na matriz. Dispersores ultrassônicos são amplamente utilizados para dispersar nanomateriais como CNTs, nanopartículas metálicas, partículas de concha-núcleo e outros tipos de nano partículas em uma segunda fase.
A dispersão ultrassônica foi aplicada com sucesso para desembaraçar e distribuir BNNTs uniformemente em soluções aquosas e não aquosas, incluindo etanol, etanol PVP, etanol TX100, bem como vários polímeros (por exemplo, poliuretano).
Um surfactante usado comum para estabilizar uma dispersão BNNT ultrasonicamente preparada é uma solução de sulfato de dodecil de sódio de 1%wt (SDS). Por exemplo, 5 mg BNNTs são ultrasonicamente dispersos em um frasco com 5 mL de solução SDS de 1%wt. usando um dispersor ultrassônico tipo sonda, como o UP200St (26kHz, 200W).

Dispersão aquosa de BNNTs usando ultrassom

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

Length reduction and cutting of boron nitride nanotubes (BNNTs) by high-intensity ultrasonication

Imagens SEM de BNNTs mais curtos após várias durações de sônica. Como mostrado, os comprimentos desses BNNTs diminuem com o aumento da duração da sônica cumulativa.
(estudo e imagem: Lee et al. 2012)

Esfoliação sem surfactante de nanofolhas de nitreto de boro usando sônicação

Lin et al. (2011) apresentam um método limpo de esfoliação e dispersão do nitreto hexagonal de boro (h-BN). O nitreto de boro hexagonal é tradicionalmente considerado insolúvel em água. No entanto, eles foram capazes de demonstrar que a água é eficaz para esfoliar as estruturas h-BN em camadas usando ultrassônicas, formando dispersões aquosas "limpas" de nanofolhas h-BN sem o uso de surfactantes ou funcionalização orgânica. Este processo de esfoliação ultrassônica produziu nanofolhas h-BN de poucas camadas, bem como nanofolha monocamadas e espécies de nanoribbon. A maioria das nanofolhas eram de tamanhos laterais reduzidos, o que foi atribuído ao corte de folhas h-BN dos pais induzidas pela hidrólise assistida pela sônica (corroborada pelo teste de amônia e resultados de espectroscopia). A hidrólise ultrasonicamente induzida também promoveu a esfoliação de nanofolhas h-BN em assistência ao efeito de polaridade do solvente. As nanofolhas h-BN nessas dispersões aquosas "limpas" apresentaram boa processabilidade através de métodos de solução que retiveram suas características físicas. As nanofolhas h-BN dispersas na água também apresentaram forte afinidade com proteínas como a ferritina, sugerindo que as superfícies nanofolha estavam disponíveis para novas bioconjugações.

Nano-dispersão ultrassônica com o ultrassônico UP400St

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O método de dispersão sono-mecânica usando forças de cavitação ultrassônica e cisalhamento é uma abordagem puramente física de mistura, que tem sido comprovadamente capaz de desmascarar BNNTs e estabilizar BNNTs individuais, mantendo sua integridade e propriedades intrínsecas. Aplicando energia ultrassônica adequada (Ws/mL), ou seja, amplitude ajustada e duração da sônica, a dispersão ultrassônica pode desembaraçar e dispersar o BNNTS uniformemente. Maiores amplitudes e sônicas mais longas podem ser aplicadas se o comprimento dos nanotubos de nitreto de boro deve ser reduzido. Leia mais sobre redução de tamanho ultrassônico e corte de comprimento de BNNTs na próxima seção.

Redução de tamanho ultrassônico e corte de nanotubos de nitreto de boro

O comprimento dos nanotubos de nitreto de boro desempenha um papel crucial quando se trata do processamento subsequente de BNNTs em polímeros e outros materiais funcionalizados. Portanto, é um fato importante que a sônica dos BNNTs em solvente poderia não apenas separar BNNTs individualmente, mas também encurtar os BNNTs estruturados de bambu em condições controladas. Os BNNTs encurtados têm uma chance muito menor de agrupar durante a preparação composta. Lee at al. (2012) demonstrou que os comprimentos de BNNTs funcionalizados podem ser eficientemente encurtados de >10μm para ∼500nm por ultrassônica. Seus experimentos sugerem que a dispersão ultrassônica efetiva do BNNT em solução é necessária para tal corte de redução e corte de tamanho do BNNT.

Boron nitride nanotubes can be efficiently dispersed and reduced in length using high-intensity ultrasonication

c MPEG-DSPE/BNNTs bem dispered na água (após 2h de sônica). d Representante esquemático de um BNNT funcionalizado por uma molécula mPEG-DSPE
(estudo e imagem: Lee et al. 2012)

Ultrasonic dispersion is a well established technique to disperse and exfoliate boron nitride nanotubes.

Ultrasonic homogeneizador UP400St para a dispersão de nanotubos de nitreto de boro (BNNTs)

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Ultrassonicadores de alto desempenho para processamento bnnt

As características inteligentes dos ultrassonicadores Hielscher são projetadas para garantir uma operação confiável, resultados reprodutíveis e simpatia pelo usuário. As configurações operacionais podem ser facilmente acessadas e discadas através do menu intuitivo, que pode ser acessado através de tela de toque de cores digitais e controle remoto do navegador. Portanto, todas as condições de processamento, como energia líquida, energia total, amplitude, tempo, pressão e temperatura são automaticamente registradas em um cartão SD embutido. Isso permite que você revise e compare as corridas de sônica anteriores e otimize o processo de esfoliação e dispersão de nanotubos de nitreto de boro e nanomateriais com maior eficiência.
Os sistemas Hielscher Ultrasonics são usados em todo o mundo para a fabricação de BNNTs de alta qualidade. Ultrassonicadores industriais hielscher podem facilmente executar altas amplitudes em operação contínua (24/7/365). Amplitudes de até 200μm podem ser facilmente geradas continuamente com sonotrodes padrão (sondas ultrassônicas/chifres). Para amplitudes ainda maiores, sonotrodes ultrassônicos personalizados estão disponíveis. Devido à sua robustez e baixa manutenção, nossos sistemas de esfoliação e dispersão ultrassônicas são comumente instalados para aplicações pesadas e em ambientes exigentes.
Hielscher Ultrasonics’ processadores ultrassônicos industriais podem fornecer amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodes ultrassônicos personalizados estão disponíveis.
Os processadores ultrassônicos hielscher para dispersão e esfoliação de nanotubos de nitreto de boro, bem como CNTs e grafeno já estão instalados em todo o mundo em escala comercial. Entre em contato conosco agora para discutir seu processo de fabricação BNNT! Nossa equipe bem experiente ficará feliz em compartilhar mais informações sobre o processo de esfoliação, sistemas ultrassônicos e preços!
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:

Volume batch Quociente de vazão Dispositivos Recomendados
1 a 500mL 10 a 200 mL / min UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL / min UP200Ht, UP400St
0.1 a 20L 00,2 a 4 L / min UIP2000hdT
10 a 100L 2 de 10L / min UIP4000hdT
n / D. 10 a 100L / min UIP16000
n / D. maior aglomerado de UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração em escala laboratoria, piloto e industrial.

Literatura / Referências



Fatos, vale a pena conhecer

Nanotubos e Nanomateriais de Nitreto de Boro

Os nanotubos de nitreto de boro oferecem uma estrutura atômica única montada de átomos de boro e nitrogênio dispostos em uma rede hexagonal. Esta estrutura dá ao BNNT inúmeras excelentes propriedades intrínsecas, como resistência mecânica superior, alta condutividade térmica, comportamento eletricamente isolante, propriedade piezoelétrica, capacidade de blindagem de nêutrons e resistência à oxidação. A lacuna de banda de 5 eV também pode ser ajustada usando campos elétricos transversais, o que torna os BNNTs interessantes para dispositivos eletrônicos. Além disso, os BNNTs têm alta resistência à oxidação até 800°C, mostram excelente piezoeletricidade, e podem ser um bom material de armazenamento de hidrogênio em temperatura ambiente.

BNNTs vs Grafeno: BNNTs são os análogos estruturais do grafeno. A principal diferença entre os nanomateriais à base de nitreto de boro e suas contrapartes baseadas em carbono é a natureza das ligações entre os átomos. A ligação C-C em nanomateriais de carbono tem um caráter covalente puro, enquanto as ligações B-N apresentam um caráter parcialmente iônico devido aos e-pares em sp2 hibridizado B-N. (cf. Emanet et al. 2019)

BNNTs vs. Nanotubos de Carbono: Nanotubos de nitreto de boro (BNNTs) exibem uma nanoestrutura tubular semelhante aos nanotubos de carbono (CNTs) nos quais átomos de boro e nitrogênio se organizam em uma rede hexagonal.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de Laboratório para tamanho industrial.