Nanocevke borovega nitrida – eksfoliirane in dispergirane s sonikacijo

Ultrazvočna obdelava se uspešno uporablja za obdelavo in dispergiranje nanocevk borovega nitrida (BNNTs). Sonikacija z visoko intenzivnostjo omogoča homogeno razpletanje in porazdelitev v različnih raztopinah ter je zato ključna tehnika obdelave za vključevanje BNNTs v raztopine in matrice.

Ultrazvočna obdelava nanocevk borovega nitrida

Za vključevanje nanocevk borovega nitrida (BNNTs) ali nanostruktur borovega nitrida (BNNs), kot so nanoploščice in nanotrakovi, v tekoče raztopine ali polimerne matrice je potrebna učinkovita in zanesljiva tehnika dispergiranja. Ultrazvočno dispergiranje zagotavlja potrebno energijo za visoko učinkovito eksfoliacijo, razpletanje, dispergiranje in funkcionalizacijo nanocevk borovega nitrida ter nanostruktur borovega nitrida. Natančno nastavljivi parametri obdelave z ultrazvokom visoke intenzivnosti (tj. energija, amplituda, čas, temperatura in tlak) omogočajo posamično prilagajanje pogojev obdelave zastavljenemu cilju procesa. To pomeni, da je mogoče intenzivnost ultrazvoka prilagoditi določeni formulaciji (kakovosti BNNTs, topilu, koncentraciji trdne snovi v tekočini itd.) in tako doseči optimalne rezultate.

Uporaba ultrazvočne obdelave BNNTs in BNNs zajema celoten razpon od homogenega dispergiranja dvodimenzionalnih nanostruktur borovega nitrida (2D-BNNs) do njihove funkcionalizacije in kemijske eksfoliacije enoslojnega heksagonalnega borovega nitrida. V nadaljevanju podrobneje predstavljamo ultrazvočno dispergiranje, eksfoliacijo in funkcionalizacijo BNNTs in BNNs.

Ultrazvočno dispergiranje nanocevk borovega nitrida

Kadar se nanocevke borovega nitrida (BNNTs) uporabljajo za ojačitev polimerov ali sintezo novih materialov, je potrebno enakomerno in zanesljivo dispergiranje v matrici. Ultrazvočni dispergatorji se pogosto uporabljajo za dispergiranje nanomaterialov, kot so CNTs, kovinski nanodelci, delci z jedrom in lupino ter druge vrste nanodelcev, v drugo fazo.
Ultrazvočno dispergiranje se uspešno uporablja za razpletanje in enakomerno porazdelitev BNNTs v vodnih in nevodnih raztopinah, vključno z etanolom, etanolom s PVP, etanolom s TX100 ter različnimi polimeri (npr. poliuretanom).
Pogosto uporabljeno površinsko aktivno sredstvo za stabilizacijo ultrazvočno pripravljene disperzije BNNTs je 1%wt raztopina natrijevega dodecil sulfata (SDS). Na primer, 5 mg BNNTs se ultrazvočno dispergira v viali s 5 mL 1%wt. raztopine SDS z ultrazvočnim dispergatorjem s sondo, kot je UP200St (26kHz, 200W).

Dispergiranje BNNTs v vodi z ultrazvokom

Zaradi močnih van der Waalsovih interakcij in hidrofobne površine se nanocevke borovega nitrida slabo dispergirajo v raztopinah na vodni osnovi. Za rešitev teh težav so Jeon et al. (2019) uporabili Pluronic P85 in F127, ki imata tako hidrofilne kot hidrofobne skupine, za funkcionalizacijo BNNT med sonikacijo.

Eksfoliacija nanoploščic borovega nitrida s sonikacijo brez površinsko aktivnih sredstev

Lin et al. (2011) predstavljajo čisto metodo eksfoliacije in dispergiranja heksagonalnega borovega nitrida (h-BN). Heksagonalni borov nitrid tradicionalno velja za netopnega v vodi. Vendar so lahko dokazali, da je voda učinkovita pri eksfoliaciji plastovitih struktur h-BN z ultrazvočno obdelavo, pri čemer nastanejo »čiste« vodne disperzije nanoploščic h-BN brez uporabe površinsko aktivnih sredstev ali organske funkcionalizacije. S tem postopkom ultrazvočne eksfoliacije so nastale nanoploščice h-BN z nekaj plastmi ter enoslojne nanoploščice in nanotrakovi. Večina nanoploščic je imela zmanjšane bočne dimenzije, kar so pripisali rezanju izvornih ploščic h-BN zaradi hidrolize, ki jo podpira sonikacija (kar so potrdili s preskusom na amonijak in rezultati spektroskopije). Ultrazvočno inducirana hidroliza je poleg učinka polarnosti topila dodatno spodbujala eksfoliacijo nanoploščic h-BN. Nanoploščice h-BN v teh »čistih« vodnih disperzijah so izkazovale dobro obdelovalnost z metodami obdelave v raztopini, pri čemer so ohranile svoje fizikalne značilnosti. Nanoploščice h-BN, dispergirane v vodi, so izkazovale tudi močno afiniteto do beljakovin, kot je feritin, kar nakazuje, da so bile površine nanoploščic na voljo za nadaljnjo biokonjugacijo.

Sonomehanska metoda dispergiranja z ultrazvočno kavitacijo in strižnimi silami je povsem fizikalni pristop k mešanju, za katerega je bilo dokazano, da lahko loči BNNTs iz snopov in stabilizira posamezne BNNTs, pri tem pa ohranja njihovo celovitost in lastne značilnosti. Z uporabo ustrezne ultrazvočne energije (Ws/mL), tj. s prilagojeno amplitudo in trajanjem sonikacije, lahko ultrazvočno dispergiranje razplete in enakomerno dispergira BNNTS. Če je treba zmanjšati dolžino nanocevk borovega nitrida, se lahko uporabijo višje amplitude in daljša sonikacija. Več o ultrazvočnem zmanjševanju velikosti in krajšanju BNNTs z rezanjem preberite v naslednjem razdelku.

Ultrazvočno zmanjševanje velikosti in rezanje nanocevk borovega nitrida

Dolžina nanocevk borovega nitrida ima ključno vlogo pri nadaljnji obdelavi BNNTs za vključevanje v polimere in druge funkcionalizirane materiale. Zato je pomembno dejstvo, da lahko sonikacija BNNTs v topilu ne le loči posamezne BNNTs, temveč v nadzorovanih pogojih tudi skrajša BNNTs z bambusovo strukturo. Skrajšane BNNTs imajo precej manjšo verjetnost združevanja v snope med pripravo kompozitov. Lee at al. (2012) so dokazali, da je mogoče dolžine funkcionaliziranih BNNTs z ultrazvočno obdelavo učinkovito skrajšati z >10µm na ∼500nm. Njihovi poskusi nakazujejo, da je učinkovito ultrazvočno dispergiranje BNNT v raztopini potrebno za takšno zmanjševanje velikosti in rezanje BNNT.

Visokozmogljive ultrazvočne naprave za obdelavo BNNT

Pametne funkcije ultrazvočnih naprav Hielscher so zasnovane tako, da zagotavljajo zanesljivo delovanje, ponovljive rezultate in preprosto uporabo. Do nastavitev delovanja je mogoče preprosto dostopati in jih izbirati prek intuitivnega menija, ki je dostopen prek digitalnega barvnega zaslona na dotik in daljinskega upravljanja prek brskalnika. Zato se vsi pogoji obdelave, kot so neto energija, skupna energija, amplituda, čas, tlak in temperatura, samodejno beležijo na vgrajeno kartico SD. To omogoča pregled in primerjavo prejšnjih izvedb sonikacije ter optimizacijo procesa eksfoliacije in dispergiranja nanocevk borovega nitrida in nanomaterialov za doseganje najvišje učinkovitosti.
Sistemi Hielscher Ultrasonics se po vsem svetu uporabljajo za proizvodnjo visokokakovostnih BNNTs. Industrijske ultrazvočne naprave Hielscher zlahka delujejo pri visokih amplitudah v neprekinjenem obratovanju (24/7/365). S standardnimi sonotrodami (ultrazvočnimi sondami / rogovi) je mogoče zlahka neprekinjeno ustvarjati amplitude do 200µm. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Zaradi robustnosti in majhnih potreb po vzdrževanju so naši sistemi za ultrazvočno eksfoliacijo in dispergiranje pogosto nameščeni za zahtevne obremenitve in v zahtevnih okoljih.
Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Pri amplitudah do 200µm lahko zlahka neprekinjeno delujejo v režimu 24/7. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.
Ultrazvočni procesorji Hielscher za dispergiranje in eksfoliacijo nanocevk borovega nitrida ter CNTs in grafena so že nameščeni po vsem svetu v komercialnem merilu. Stopite v stik z nami zdaj, da se pogovorimo o vašem postopku proizvodnje BNNT! Naše izkušeno osebje vam bo z veseljem posredovalo več informacij o postopku eksfoliacije, ultrazvočnih sistemih in cenah!
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav: