Nanotuburi de nitrură de bor – exfoliate și dispersate prin sonicare

Ultrasonicarea este aplicată cu succes în procesarea și dispersarea nanotuburilor de nitrură de bor (BNNTs). Sonicarea de mare intensitate asigură descâlcirea și distribuirea omogenă în diverse soluții și reprezintă astfel o tehnică de procesare esențială pentru încorporarea BNNTs în soluții și matrice.

Procesarea cu ultrasunete a nanotuburilor de nitrură de bor

Pentru a încorpora nanotuburi de nitrură de bor (BNNTs) sau nanostructuri de nitrură de bor (BNNs), precum nanofoi și nanopanglici, în soluții lichide sau matrice polimerice, este necesară o tehnică de dispersare eficientă și fiabilă. Dispersarea cu ultrasunete furnizează energia necesară pentru a exfolia, a descâlci, a dispersa și a funcționaliza cu eficiență ridicată nanotuburile de nitrură de bor și nanostructurile de nitrură de bor. Parametrii de procesare controlabili cu precizie ai ultrasunetelor de mare intensitate (adică energia, amplitudinea, timpul, temperatura și presiunea) permit ajustarea individuală a condițiilor de procesare în funcție de obiectivul vizat al procesului. Aceasta înseamnă că intensitatea ultrasonică poate fi ajustată în funcție de formularea specifică (calitatea BNNTs, solventul, concentrația solid-lichid etc.), obținându-se astfel rezultate optime.

Aplicațiile procesării ultrasonice a BNNT și BNN acoperă întreaga gamă, de la dispersarea omogenă a nanostructurilor bidimensionale de nitrură de bor (2D-BNNs) până la funcționalizarea acestora și exfolierea chimică a nitrurii de bor hexagonale monostrat. Mai jos vă prezentăm detaliile privind dispersarea, exfolierea și funcționalizarea ultrasonică a BNNTs și BNNs.

Dispersarea cu ultrasunete a nanotuburilor de nitrură de bor

Atunci când nanotuburile de nitrură de bor (BNNTs) sunt utilizate pentru a ranforsa polimeri sau pentru a sintetiza materiale noi, este necesară o dispersare uniformă și fiabilă în matrice. Dispersoarele cu ultrasunete sunt utilizate pe scară largă pentru a dispersa nanomateriale precum CNTs, nanoparticule metalice, particule core-shell și alte tipuri de nanoparticule într-o a doua fază.
Dispersarea cu ultrasunete a fost aplicată cu succes pentru a descâlci și a distribui uniform BNNTs în soluții apoase și neapoase, inclusiv etanol, etanol cu PVP, etanol cu TX100, precum și în diverși polimeri (de ex. poliuretan).
Un surfactant utilizat frecvent pentru stabilizarea unei dispersii de BNNT preparate cu ultrasunete este o soluție de dodecil sulfat de sodiu (SDS) 1%wt. De exemplu, 5 mg de BNNTs sunt dispersate cu ultrasunete într-un flacon cu 5 mL de soluție SDS 1%wt., utilizând un dispersor cu ultrasunete de tip sondă, precum UP200St (26kHz, 200W).

Dispersarea apoasă a BNNTs cu ajutorul ultrasunetelor

Din cauza interacțiunilor van der Waals puternice și a suprafeței hidrofobe, nanotuburile de nitrură de bor se dispersează slab în soluții pe bază de apă. Pentru a rezolva aceste probleme, Jeon et al. (2019) au utilizat Pluronic P85 și F127, care au atât grupări hidrofile, cât și grupări hidrofobe, pentru a funcționaliza BNNT sub sonicare.

Exfolierea fără surfactanți a nanofoilor de nitrură de bor prin sonicare

Lin et al. (2011) prezintă o metodă curată de exfoliere și dispersare a nitrurii de bor hexagonale (h-BN). Nitrura de bor hexagonală este considerată în mod tradițional insolubilă în apă. Cu toate acestea, autorii au reușit să demonstreze că apa este eficientă pentru exfolierea structurilor stratificate de h-BN prin ultrasonicare, formând dispersii apoase „curate” de nanofoi h-BN fără utilizarea surfactanților sau a funcționalizării organice. Acest proces de exfoliere ultrasonică a produs nanofoi h-BN cu puține straturi, precum și specii de nanofoi și nanopanglici monostrat. Majoritatea nanofoilor aveau dimensiuni laterale reduse, fapt atribuit tăierii foilor părinte de h-BN, indusă de hidroliza asistată de sonicare (fapt confirmat de testul pentru amoniac și de rezultatele spectroscopice). Hidroliza indusă ultrasonic a promovat, de asemenea, exfolierea nanofoilor h-BN, în completarea efectului de polaritate al solventului. Nanofoile h-BN din aceste dispersii apoase „curate” au prezentat o bună procesabilitate prin metode în soluție, păstrându-și caracteristicile fizice. Nanofoile h-BN dispersate în apă au prezentat, de asemenea, o afinitate puternică față de proteine precum feritina, ceea ce sugerează că suprafețele nanofoilor erau disponibile pentru bioconjugări ulterioare.

Metoda de dispersare sono-mecanică, care utilizează cavitația ultrasonică și forțele de forfecare, este o abordare de amestecare pur fizică, care s-a dovedit capabilă să separe BNNTs din mănunchiuri și să stabilizeze BNNTs individuale, menținându-le integritatea și proprietățile intrinseci. Prin aplicarea unei energii ultrasonice adecvate (Ws/mL), adică a unei amplitudini și a unei durate de sonicare ajustate, dispersarea cu ultrasunete poate descâlci și dispersa uniform BNNTS. Amplitudini mai mari și o sonicare mai îndelungată pot fi aplicate dacă lungimea nanotuburilor de nitrură de bor trebuie redusă. Citiți mai multe despre reducerea dimensiunii și scurtarea prin tăiere a BNNTs cu ultrasunete în secțiunea următoare.

Reducerea dimensiunii și tăierea nanotuburilor de nitrură de bor cu ultrasunete

Lungimea nanotuburilor de nitrură de bor joacă un rol esențial în procesarea ulterioară a BNNTs în polimeri și alte materiale funcționalizate. Prin urmare, este un fapt important că sonicarea BNNTs în solvent poate nu doar să separe individual BNNTs, ci și să scurteze, în condiții controlate, BNNTs cu structură de bambus. BNNTs scurtate au o probabilitate mult mai mică de a forma mănunchiuri în timpul preparării compozitelor. Lee at al. (2012) au demonstrat că lungimile BNNTs funcționalizate pot fi scurtate eficient de la >10µm la ∼500nm prin ultrasonicare. Experimentele lor sugerează că o dispersare ultrasonică eficientă a BNNT în soluție este necesară pentru o astfel de reducere a dimensiunii și tăiere a BNNT.

Sonicatoare de înaltă performanță pentru procesarea BNNT

Funcțiile inteligente ale sonicatoarelor Hielscher sunt concepute pentru a garanta o funcționare fiabilă, rezultate reproductibile și ușurință în utilizare. Setările de funcționare pot fi accesate și reglate cu ușurință printr-un meniu intuitiv, care poate fi accesat prin intermediul afișajului digital tactil color și al telecomenzii din browser. Astfel, toate condițiile de procesare, precum energia netă, energia totală, amplitudinea, timpul, presiunea și temperatura, sunt înregistrate automat pe un card SD integrat. Acest lucru vă permite să revizuiți și să comparați rulările de sonicare anterioare și să optimizați procesul de exfoliere și dispersare a nanotuburilor de nitrură de bor și a nanomaterialelor la cea mai mare eficiență.
Sistemele Hielscher Ultrasonics sunt utilizate în întreaga lume pentru fabricarea de BNNTs de înaltă calitate. Sonicatoarele industriale Hielscher pot funcționa cu ușurință la amplitudini mari în regim continuu (24/7/365). Amplitudini de până la 200µm pot fi generate cu ușurință în mod continuu cu sonotrode standard (sonde ultrasonice / sonotrode). Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate. Datorită robusteții și întreținerii reduse, sistemele noastre de exfoliere și dispersare cu ultrasunete sunt instalate frecvent pentru aplicații de mare solicitare și în medii exigente.
Procesoarele ultrasonice industriale Hielscher Ultrasonics pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în mod continuu în regim 24/7. Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate.
Procesoarele ultrasonice Hielscher pentru dispersarea și exfolierea nanotuburilor de nitrură de bor, precum și a CNTs și a grafenului, sunt deja instalate în întreaga lume la scară comercială. Contactați-ne acum pentru a discuta despre procesul dumneavoastră de fabricare a BNNT! Personalul nostru experimentat va fi bucuros să vă ofere mai multe informații despre procesul de exfoliere, sistemele ultrasonice și prețuri!
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a sonicatoarelor noastre: