Нанотрубки из нитрида бора – Отшелушивание и диспергирование с помощью ультразвука

Ультразвуковая технология успешно применяется для обработки и диспергирования нанотрубок нитрида бора (БННТ). Высокоинтенсивная ультразвуковая обработка обеспечивает однородное распутывание и распределение в различных растворах и, таким образом, является важнейшим методом обработки для включения BNNT в решения и матрицы.

Ультразвуковая обработка нанотрубок нитрида бора

Для того, чтобы включить нанотрубки нитрида бора (БНН) или наноструктуры нитрида бора (БНН), такие как нанолисты и наноленты, в жидкие растворы или полимерные матрицы, требуется эффективный и надежный метод диспергирования. Ультразвуковое диспергирование обеспечивает необходимую энергию для отшелушивания, распутывания, диспергирования и функционализации нанотрубок и наноструктур нитрида бора с высокой эффективностью. Точно контролируемые параметры обработки ультразвука высокой интенсивности (т.е. энергия, амплитуда, время, температура и давление) позволяют индивидуально настраивать условия обработки в соответствии с целевой целью процесса. Это означает, что интенсивность ультразвука может быть отрегулирована в зависимости от конкретной рецептуры (качество BNNT, растворитель, концентрация твердого тела и жидкости и т.д.), тем самым получая оптимальные результаты.

Области применения ультразвуковой обработки BNNT и BNN охватывают весь спектр от гомогенного диспергирования двумерных наноструктур нитрида бора (2D-BNNs) до их функционализации и химического вспучивания монослойного гексагонального нитрида бора. Ниже мы подробно расскажем об ультразвуковом диспергировании, отшелушивании и функционализации БННЦ и БНН.

Ультразвуковое диспергирование нанотрубок нитрида бора

Когда нанотрубки из нитрида бора (БНТ) используются для упрочнения полимеров или синтеза новых материалов, требуется равномерное и надежное диспергирование в матрице. Ультразвуковые диспергаторы широко используются для диспергирования наноматериалов, таких как УНТ, металлические наночастицы, частицы ядра-оболочки и другие типы наночастиц во второй фазе.
Ультразвуковая дисперсия была успешно применена для распутывания и равномерного распределения BNNT в водных и неводных растворах, включая этанол, этанол PVP, этанол TX100, а также различные полимеры (например, полиуретан).
Обычно используемым поверхностно-активным веществом для стабилизации ультразвуково подготовленной дисперсии BNNT является раствор додецилсульфата натрия (SDS) с массой 1%. Например, 5 мг BNNT диспергируют ультразвуком во флаконе с 5 мл 1% масс. раствора SDS с использованием диспергатора ультразвукового зондового типа, такого как UP200St (26 кГц, 200 Вт).

Водное диспергирование BNNT с помощью ультразвука

Из-за сильного ван-дер-ваальсового взаимодействия и гидрофобной поверхности нанотрубки нитрида бора плохо диспергируются в растворах на водной основе. Чтобы решить эти проблемы, Jeon et al. (2019) использовали Pluronic P85 и F127, которые имеют как гидрофильные группы, так и гидрофобные группы для функционализации BNNT под ультразвуковой обработкой.

Безповерхностно-активное отшелушивание нанолистов нитрида бора с помощью ультразвука

Lin et al. (2011) представляют чистый метод отшелушивания и диспергирования гексагонального нитрида бора (h-BN). Гексагональный нитрид бора традиционно считается нерастворимым в воде. Тем не менее, им удалось продемонстрировать, что вода эффективна для отшелушивания слоистых структур h-BN с помощью ультразвука, образуя «чистые» водные дисперсии нанолистов h-BN без использования поверхностно-активных веществ или органической функционализации. В результате ультразвукового отшелушивания получаются малослойные нанолисты h-BN, а также однослойные нанолисты и наноленты. Большинство нанолистов имели уменьшенные боковые размеры, что было связано с резкой родительских листов h-BN, вызванной гидролизом с помощью ультразвука (что подтверждается тестом аммиака и результатами спектроскопии). Ультразвуковой гидролиз также способствовал отшелушиванию нанолистов h-BN, способствуя эффекту полярности растворителя. Нанолисты h-BN в этих «чистых» водных дисперсиях продемонстрировали хорошую технологичность благодаря методам растворения, сохранив свои физические характеристики. Диспергированные нанолисты h-BN в воде также продемонстрировали сильное сродство к белкам, таким как ферритин, что позволяет предположить, что поверхности нанолистов доступны для дальнейших биоконъюгаций.

Метод сономеханического диспергирования с использованием ультразвуковой кавитации и сил сдвига представляет собой чисто физический подход к смешиванию, который, как было доказано, способен разделять BNNT и стабилизировать отдельные BNNT при сохранении их целостности и внутренних свойств. Применяя подходящую ультразвуковую энергию (Вт/мл), т.е. отрегулированную амплитуду и продолжительность ультразвука, ультразвуковая дисперсия может равномерно распутывать и диспергировать BNNTS. Более высокие амплитуды и более длинная ультразвук могут быть применены, если длина нанотрубок из нитрида бора должна быть уменьшена. Подробнее о ультразвуковом уменьшении размера и длине резки БННТ читайте в следующем разделе.

Ультразвуковое уменьшение размеров и резка нанотрубок нитрида бора

The length of boron nitride nanotubes plays a crucial role when it comes to the subsequent processing of BNNTs into polymers and other functionalized materials. Therefore it is an important fact that sonication of the BNNTs in solvent could not only separate BNNTs individually, but also shorten the bamboo structured BNNTs under controlled conditions. The shortened BNNTs have a much lower chance of bundling during composite preparation.Lee at al. (2012) demonstrated that the lengths of functionalized BNNTs can be efficiently shortened from >10µm to ∼500nm by ultrasonication. Their experiments suggest that effective ultrasonic dispersion of BNNT in solution is necessary for such cutting of BNNT size reduction and cutting.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для обработки BNNT

Интеллектуальные функции ультразвуковых аппаратов Hielscher разработаны для того, чтобы гарантировать надежную работу, воспроизводимые результаты и удобство использования. Доступ к рабочим настройкам и набор осуществляется через интуитивно понятное меню, доступ к которому осуществляется с помощью цифрового цветного сенсорного дисплея и пульта дистанционного управления в браузере. Таким образом, все условия обработки, такие как чистая энергия, общая энергия, амплитуда, время, давление и температура, автоматически записываются на встроенную SD-карту. Это позволяет пересматривать и сравнивать предыдущие прогоны ультразвуковой обработки и оптимизировать процесс отшелушивания и диспергирования нанотрубок и наноматериалов из нитрида бора до максимальной эффективности.
Ультразвуковые системы Hielscher используются во всем мире для производства высококачественных BNNT. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут легко работать с высокой амплитудой в непрерывной работе (24/7/365). Амплитуды до 200 μм могут быть легко непрерывно сгенерированы с помощью стандартных сонотродов (ультразвуковых зондов / рупоров). Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Благодаря своей прочности и неприхотливости в обслуживании наши ультразвуковые системы отшелушивания и диспергирования обычно устанавливаются для тяжелых условий эксплуатации и в сложных условиях.
Hielscher Ultrasonics’ Промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечивать очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды.
Ультразвуковые процессоры Hielscher для диспергирования и отшелушивания нанотрубок нитрида бора, а также УНТ и графена уже установлены во всем мире в промышленных масштабах. Свяжитесь с нами сейчас, чтобы обсудить ваш производственный процесс BNNT! Наш опытный персонал будет рад поделиться более подробной информацией о процессе отшелушивания, ультразвуковых системах и ценах!
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: