Nanorúrky nitridu bóru – exfoliované a dispergované sonikáciou

Ultrazvukové spracovanie sa úspešne využíva pri spracovaní a dispergovaní nanorúrok nitridu bóru (BNNTs). Sonikácia s vysokou intenzitou zabezpečuje rovnomerné rozpletanie a rozloženie v rôznych roztokoch, a preto je kľúčovou technikou spracovania na začleňovanie BNNTs do roztokov a matríc.

Ultrazvukové spracovanie nanorúrok nitridu bóru

Na začlenenie nanorúrok nitridu bóru (BNNTs) alebo nanoštruktúr nitridu bóru (BNNs), ako sú nanoplátky a nanopásiky, do kvapalných roztokov alebo polymérnych matríc je potrebná účinná a spoľahlivá dispergačná technika. Ultrazvuková dispergácia poskytuje potrebnú energiu na vysokoúčinnú exfoliáciu, rozpletanie, dispergáciu a funkcionalizáciu nanorúrok nitridu bóru a nanoštruktúr nitridu bóru. Presne regulovateľné parametre spracovania ultrazvukom s vysokou intenzitou (t. j. energia, amplitúda, čas, teplota a tlak) umožňujú individuálne prispôsobiť podmienky spracovania požadovanému cieľu procesu. To znamená, že intenzitu ultrazvuku možno prispôsobiť konkrétnemu zloženiu (kvalita BNNTs, rozpúšťadlo, koncentrácia tuhej fázy v kvapaline atď.), čím sa dosiahnu optimálne výsledky.

Aplikácie ultrazvukového spracovania BNNT a BNN pokrývajú celé spektrum od homogénnej dispergácie dvojrozmerných nanoštruktúr nitridu bóru (2D-BNNs) až po ich funkcionalizáciu a chemickú exfoliáciu jednovrstvového hexagonálneho nitridu bóru. Nižšie podrobne predstavujeme ultrazvukovú dispergáciu, exfoliáciu a funkcionalizáciu BNNTs a BNNs.

Ultrazvuková dispergácia nanorúrok nitridu bóru

Keď sa nanorúrky nitridu bóru (BNNTs) používajú na vystuženie polymérov alebo na syntézu nových materiálov, je potrebná rovnomerná a spoľahlivá dispergácia do matrice. Ultrazvukové dispergátory sa široko využívajú na dispergovanie nanomateriálov, ako sú CNTs, kovové nanočastice, častice typu jadro–obal a ďalšie typy nanočastíc, do druhej fázy.
Ultrazvuková dispergácia sa úspešne využíva na rozpletanie a rovnomerné rozloženie BNNTs vo vodných aj nevodných roztokoch vrátane etanolu, PVP v etanole, TX100 v etanole, ako aj v rôznych polyméroch (napr. polyuretáne).
Bežne používanou povrchovo aktívnou látkou na stabilizáciu ultrazvukovo pripravenej disperzie BNNT je roztok dodecylsulfátu sodného (SDS) s koncentráciou 1 % hmotn. Napríklad 5 mg BNNTs sa ultrazvukovo disperguje vo vialke s 5 mL roztoku SDS s koncentráciou 1 % hmotn. pomocou ultrazvukového sondového dispergátora, ako je UP200St (26kHz, 200W).

Vodná dispergácia BNNTs pomocou ultrazvuku

V dôsledku silných van der Waalsových interakcií a hydrofóbneho povrchu sa nanorúrky nitridu bóru vo vodných roztokoch dispergujú ťažko. Na vyriešenie týchto problémov použili Jeon et al. (2019) Pluronic P85 a F127, ktoré majú hydrofilné aj hydrofóbne skupiny, na funkcionalizáciu BNNT počas sonikácie.

Exfoliácia nanoplátkov nitridu bóru sonikáciou bez povrchovo aktívnych látok

Lin et al. (2011) predstavujú čistú metódu exfoliácie a dispergovania hexagonálneho nitridu bóru (h-BN). Hexagonálny nitrid bóru sa tradične považuje za nerozpustný vo vode. Dokázali však preukázať, že voda je účinná pri exfoliácii vrstevnatých štruktúr h-BN pomocou ultrazvuku, pričom vznikajú „čisté“ vodné disperzie nanodoštičiek h-BN bez použitia povrchovo aktívnych látok alebo organickej funkcionalizácie. Týmto procesom ultrazvukovej exfoliácie vznikli nanodoštičky h-BN s niekoľkými vrstvami, ako aj jednovrstvové nanodoštičky a nanopásiky. Väčšina nanodoštičiek mala zmenšené laterálne rozmery, čo sa pripisovalo rezaniu pôvodných doštičiek h-BN vyvolanému hydrolýzou podporovanou sonikáciou (potvrdenému skúškou na amoniak a výsledkami spektroskopie). Ultrazvukom vyvolaná hydrolýza tiež podporovala exfoliáciu nanodoštičiek h-BN a dopĺňala tak účinok polarity rozpúšťadla. Nanodoštičky h-BN v týchto „čistých“ vodných disperziách vykazovali dobrú spracovateľnosť metódami spracovania z roztoku pri zachovaní svojich fyzikálnych vlastností. Nanodoštičky h-BN dispergované vo vode tiež vykazovali silnú afinitu k proteínom, ako je feritín, čo naznačuje, že povrchy nanodoštičiek boli dostupné pre ďalšie biokonjugácie.

Sonomechanická metóda dispergovania využívajúca ultrazvukovú kavitáciu a šmykové sily je čisto fyzikálny spôsob miešania, pri ktorom sa preukázala schopnosť rozrušovať zväzky BNNT a stabilizovať jednotlivé BNNT pri zachovaní ich celistvosti a vnútorných vlastností. Pri použití vhodnej ultrazvukovej energie (Ws/mL), t. j. pri upravenej amplitúde a trvaní sonikácie, môže ultrazvukové dispergovanie rozpletať a rovnomerne dispergovať BNNTS. Vyššie amplitúdy a dlhšiu sonikáciu možno použiť, ak sa má skrátiť dĺžka nanorúrok nitridu bóru. Viac o ultrazvukovom zmenšovaní rozmerov a skracovaní BNNT rezaním sa dočítate v nasledujúcej časti.

Ultrazvukové zmenšovanie rozmerov a rezanie nanorúrok nitridu bóru

Dĺžka nanorúrok nitridu bóru zohráva kľúčovú úlohu pri následnom spracovaní BNNT do polymérov a iných funkcionalizovaných materiálov. Preto je dôležitá skutočnosť, že sonikácia BNNT v rozpúšťadle by mohla nielen oddeľovať jednotlivé BNNT, ale za kontrolovaných podmienok aj skracovať BNNT so štruktúrou podobnou bambusu. Skrátené BNNT majú oveľa nižšiu pravdepodobnosť tvorby zväzkov počas prípravy kompozitov. Lee et al. (2012) preukázali, že dĺžky funkcionalizovaných BNNT možno pomocou ultrazvuku účinne skrátiť z >10µm na ∼500nm. Ich experimenty naznačujú, že účinné ultrazvukové dispergovanie BNNT v roztoku je nevyhnutné na takéto rezanie BNNT na zmenšenie ich rozmerov a skrátenie.

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na spracovanie BNNT

Inteligentné funkcie ultrazvukových zariadení Hielscher sú navrhnuté tak, aby zaručovali spoľahlivú prevádzku, reprodukovateľné výsledky a jednoduché používanie. Prevádzkové nastavenia možno jednoducho otvárať a upravovať prostredníctvom intuitívnej ponuky, ktorá je prístupná cez digitálny farebný dotykový displej a diaľkové ovládanie cez prehliadač. Všetky podmienky spracovania, ako sú čistá energia, celková energia, amplitúda, čas, tlak a teplota, sa preto automaticky zaznamenávajú na zabudovanú kartu SD. To vám umožňuje preskúmať a porovnať predchádzajúce cykly sonikácie a optimalizovať proces exfoliácie a dispergácie nanorúrok nitridu bóru a nanomateriálov na dosiahnutie najvyššej účinnosti.
Systémy Hielscher Ultrasonics sa používajú na celom svete na výrobu vysokokvalitných BNNTs. Priemyselné ultrazvukové zariadenia Hielscher môžu bez problémov pracovať s vysokými amplitúdami v nepretržitej prevádzke (24/7/365). So štandardnými sonotrodami (ultrazvukové sondy / vlnovody) možno jednoducho nepretržite generovať amplitúdy až do 200µm. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotrody vyrobené na mieru. Vďaka svojej robustnosti a nízkym nárokom na údržbu sa naše systémy na ultrazvukovú exfoliáciu a dispergáciu bežne inštalujú na aplikácie s vysokým zaťažením a v náročných prostrediach.
Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno jednoducho nepretržite udržiavať v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotrody vyrobené na mieru.
Ultrazvukové procesory Hielscher na dispergáciu a exfoliáciu nanorúrok nitridu bóru, ako aj CNTs a grafénu, sú už nainštalované na celom svete v komerčnom meradle. Kontaktujte nás ešte dnes a prediskutujte s nami svoj proces výroby BNNTs! Naši skúsení pracovníci vám radi poskytnú ďalšie informácie o procese exfoliácie, ultrazvukových systémoch a cenách!
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení: