Нанотрубки нитрида бора – эксфолиация и диспергирование с помощью обработки ультразвуком

Обработка ультразвуком успешно применяется для обработки и диспергирования нанотрубок нитрида бора (BNNTs). Высокоинтенсивная обработка ультразвуком обеспечивает равномерное распутывание и распределение в различных растворах и поэтому является важнейшим методом обработки для введения BNNTs в растворы и матрицы.

Ультразвуковая обработка нанотрубок нитрида бора

Для введения нанотрубок нитрида бора (BNNTs) или наноструктур нитрида бора (BNNs), таких как нанолисты и наноленты, в жидкие растворы или полимерные матрицы необходим эффективный и надежный метод диспергирования. Ультразвуковое диспергирование обеспечивает энергию, необходимую для высокоэффективной эксфолиации, распутывания, диспергирования и функционализации нанотрубок и наноструктур нитрида бора. Точно регулируемые параметры обработки высокоинтенсивным ультразвуком (то есть энергия, амплитуда, время, температура и давление) позволяют индивидуально настраивать условия обработки в соответствии с целевой задачей процесса. Это означает, что интенсивность ультразвука можно регулировать с учетом конкретного состава (качества BNNTs, растворителя, концентрации твердой фазы в жидкости и т. д.), получая тем самым оптимальные результаты.

Применение ультразвуковой обработки BNNTs и BNNs охватывает весь спектр задач: от однородного диспергирования двумерных наноструктур нитрида бора (2D-BNNs) до их функционализации и химической эксфолиации однослойного гексагонального нитрида бора. Ниже мы подробно рассматриваем ультразвуковое диспергирование, эксфолиацию и функционализацию BNNTs и BNNs.

Ультразвуковое диспергирование нанотрубок нитрида бора

Когда нанотрубки нитрида бора (BNNTs) используют для армирования полимеров или синтеза новых материалов, необходимо равномерное и надежное диспергирование в матрице. Ультразвуковые диспергаторы широко применяются для диспергирования наноматериалов, таких как CNTs, металлические наночастицы, частицы типа «ядро–оболочка» и другие виды наночастиц, во второй фазе.
Ультразвуковое диспергирование успешно применяется для распутывания и равномерного распределения BNNTs в водных и неводных растворах, включая этанол, этанол с PVP, этанол с TX100, а также в различных полимерах (например, полиуретане).
Для стабилизации дисперсии BNNTs, полученной ультразвуковым способом, часто используют в качестве поверхностно-активного вещества раствор додецилсульфата натрия (SDS) с концентрацией 1%wt. Например, 5 mg BNNTs диспергируют ультразвуком во флаконе с 5 mL раствора SDS с концентрацией 1%wt., используя ультразвуковой диспергатор зондового типа, такой как UP200St (26kHz, 200W).

Диспергирование BNNTs в воде с помощью ультразвука

Из-за сильных ван-дер-ваальсовых взаимодействий и гидрофобной поверхности нанотрубки нитрида бора плохо диспергируются в растворах на водной основе. Для решения этих проблем Jeon et al. (2019) использовали Pluronic P85 и F127, имеющие как гидрофильные, так и гидрофобные группы, для функционализации BNNT при обработке ультразвуком.

Эксфолиация нанолистов нитрида бора с помощью обработки ультразвуком без поверхностно-активных веществ

Lin et al. (2011) представляют чистый метод эксфолиации и диспергирования гексагонального нитрида бора (h-BN). Гексагональный нитрид бора традиционно считается нерастворимым в воде. Однако им удалось продемонстрировать, что вода эффективна для эксфолиации слоистых структур h-BN с помощью обработки ультразвуком с образованием «чистых» водных дисперсий нанолистов h-BN без использования поверхностно-активных веществ или органической функционализации. В результате этого процесса ультразвуковой эксфолиации были получены малослойные нанолисты h-BN, а также однослойные нанолисты и наноленты. Большинство нанолистов имели уменьшенные латеральные размеры, что объяснялось разрезанием исходных листов h-BN, вызванным гидролизом при содействии обработки ультразвуком (это было подтверждено тестом на аммиак и результатами спектроскопии). Гидролиз, индуцированный ультразвуком, также способствовал эксфолиации нанолистов h-BN, дополняя эффект полярности растворителя. Нанолисты h-BN в этих «чистых» водных дисперсиях хорошо поддавались обработке методами из раствора, сохраняя свои физические характеристики. Диспергированные в воде нанолисты h-BN также проявляли высокое сродство к белкам, таким как ферритин, что указывает на доступность поверхностей нанолистов для дальнейшей биоконъюгации.

Сономеханический метод диспергирования с использованием ультразвуковой кавитации и сил сдвига представляет собой исключительно физический способ смешивания, для которого доказана способность разделять пучки BNNTs и стабилизировать отдельные BNNTs, сохраняя их целостность и присущие им свойства. При подаче подходящей ультразвуковой энергии (Ws/mL), то есть при соответствующей настройке амплитуды и продолжительности обработки ультразвуком, ультразвуковое диспергирование позволяет распутывать и равномерно диспергировать BNNTS. Более высокие амплитуды и более длительную обработку ультразвуком можно применять, если требуется уменьшить длину нанотрубок нитрида бора. Подробнее об ультразвуковом уменьшении размеров и укорачивании BNNTs путем разрезания читайте в следующем разделе.

Ультразвуковое уменьшение размеров и разрезание нанотрубок нитрида бора

Длина нанотрубок нитрида бора играет важнейшую роль при последующем введении BNNTs в полимеры и другие функционализированные материалы. Поэтому важно, что обработка BNNTs ультразвуком в растворителе может не только разделять BNNTs на отдельные нанотрубки, но и укорачивать BNNTs с бамбукоподобной структурой в контролируемых условиях. Укороченные BNNTs имеют гораздо меньшую вероятность образования пучков при изготовлении композитов. Lee at al. (2012) продемонстрировали, что длину функционализированных BNNTs можно эффективно уменьшить с >10µm до ∼500nm с помощью обработки ультразвуком. Их эксперименты указывают на то, что эффективное ультразвуковое диспергирование BNNT в растворе необходимо для такого уменьшения размеров и разрезания BNNT.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для обработки BNNTs

Интеллектуальные функции ультразвуковых аппаратов Hielscher разработаны для обеспечения надежной работы, воспроизводимых результатов и удобства использования. Рабочие настройки можно легко открывать и задавать через интуитивно понятное меню, доступное на цифровом цветном сенсорном дисплее и через дистанционное управление в браузере. Поэтому все условия обработки, такие как чистая энергия, общая энергия, амплитуда, время, давление и температура, автоматически записываются на встроенную SD-карту. Это позволяет просматривать и сравнивать предыдущие циклы обработки ультразвуком и оптимизировать процесс эксфолиации и диспергирования нанотрубок нитрида бора и наноматериалов для достижения наивысшей эффективности.
Системы Hielscher Ultrasonics используются во всем мире для производства высококачественных BNNTs. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher легко работают с высокими амплитудами в непрерывном режиме (24/7/365). Амплитуды до 200µm можно легко непрерывно генерировать с помощью стандартных сонотродов (ультразвуковых зондов / рупоров). Для еще более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Благодаря прочности и низкой потребности в техническом обслуживании наши системы ультразвуковой эксфолиации и диспергирования часто устанавливают для работы с высокими нагрузками и в сложных условиях.
Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics способны обеспечивать очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200µm можно легко поддерживать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу.
Ультразвуковые процессоры Hielscher для диспергирования и эксфолиации нанотрубок нитрида бора, а также CNTs и графена уже установлены во всем мире для производства в коммерческом масштабе. Свяжитесь с нами прямо сейчас, чтобы обсудить ваш процесс производства BNNTs! Наши опытные сотрудники будут рады предоставить дополнительную информацию о процессе эксфолиации, ультразвуковых системах и ценах!
Таблица ниже дает представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов: