Наноцеви бор-нитрида – ексфолиране и дисперговане соникацијом

Ултразвучна обрада се успешно примењује за обраду и дисперговање наноцеви бор-нитрида (BNNT). Соникација високог интензитета омогућава равномерно расплитање и распоређивање у различитим растворима и стога представља кључну технику обраде за уградњу BNNT у растворе и матрице.

Ултразвучна обрада наноцеви бор-нитрида

За уградњу наноцеви бор-нитрида (BNNT) или наноструктура бор-нитрида (BNN), као што су нанолистови и нанотраке, у течне растворе или полимерне матрице потребна је ефикасна и поуздана техника дисперговања. Ултразвучно дисперговање обезбеђује потребну енергију за високоефикасну ексфолијацију, расплитање, дисперговање и функционализацију наноцеви бор-нитрида и наноструктура бор-нитрида. Параметри обраде ултразвуком високог интензитета који се могу прецизно контролисати (тј. енергија, амплитуда, време, температура и притисак) омогућавају појединачно прилагођавање услова обраде жељеном циљу процеса. То значи да се интензитет ултразвука може прилагодити конкретној формулацији (квалитет BNNT, растварач, концентрација чврсте фазе у течности итд.), чиме се постижу оптимални резултати.

Примене ултразвучне обраде BNNT и BNN обухватају читав распон од хомогеног дисперговања дводимензионалних наноструктура бор-нитрида (2D-BNN), до њихове функционализације и хемијске ексфолијације једнослојног хексагоналног бор-нитрида. У наставку детаљно представљамо ултразвучно дисперговање, ексфолијацију и функционализацију BNNT и BNN.

Ултразвучно дисперговање наноцеви бор-нитрида

Када се наноцеви бор-нитрида (BNNT) користе за ојачавање полимера или синтезу нових материјала, неопходно је равномерно и поуздано дисперговање у матрици. Ултразвучни диспергатори се широко користе за дисперговање наноматеријала као што су CNT, металне наночестице, честице са структуром језгро–омотач и друге врсте наночестица у другу фазу.
Ултразвучно дисперговање успешно се примењује за расплитање и равномерно распоређивање BNNT у воденим и неводеним растворима, укључујући етанол, PVP у етанолу, TX100 у етанолу, као и у различитим полимерима (нпр. полиуретану).
За стабилизацију ултразвучно припремљене дисперзије BNNT често се као површински активна материја користи 1%wt раствор натријум-додецил-сулфата (SDS). На пример, 5 mg BNNT ултразвучно се диспергује у бочици са 5 mL 1%wt. раствора SDS помоћу ултразвучног диспергатора са сондом, као што је UP200St (26kHz, 200W).

Дисперговање BNNT у води помоћу ултразвука

Због снажних ван дер Валсових интеракција и хидрофобне површине, наноцеви бор-нитрида се слабо диспергују у растворима на бази воде. Да би решили ове проблеме, Jeon et al. (2019) користили су Pluronic P85 и F127, који имају и хидрофилне и хидрофобне групе, за функционализацију BNNT током соникације.

Ексфолијација нанолистова бор-нитрида соникацијом без површински активних материја

Lin и сар. (2011) представљају чисту методу ексфолијације и дисперговања хексагоналног бор-нитрида (h-BN). Хексагонални бор-нитрид се традиционално сматра нерастворљивим у води. Међутим, успели су да покажу да је вода ефикасна за ексфолијацију слојевитих структура h-BN применом ултразвучне обраде, при чему настају „чисте“ водене дисперзије нанолистова h-BN без употребе површински активних материја или органске функционализације. Овим процесом ултразвучне ексфолијације добијени су нанолистови h-BN са неколико слојева, као и једнослојни облици нанолистова и нанотрака. Већина нанолистова имала је смањене бочне димензије, што је приписано сечењу полазних листова h-BN изазваном хидролизом потпомогнутом соникацијом (што је потврђено тестом на амонијак и резултатима спектроскопије). Ултразвучно изазвана хидролиза такође је поспешила ексфолијацију нанолистова h-BN, доприносећи дејству поларности растварача. Нанолистови h-BN у овим „чистим“ воденим дисперзијама показали су добру погодност за обраду методама из раствора, задржавајући своја физичка својства. Нанолистови h-BN дисперговани у води такође су показали јак афинитет према протеинима као што је феритин, што указује на то да су површине нанолистова биле доступне за даљу биоконјугацију.

Сономеханичка метода дисперговања која користи ултразвучну кавитацију и силе смицања представља чисто физички приступ мешању, за који је доказано да може да раздвоји снопове BNNTs и стабилизује појединачне BNNTs уз очување њиховог интегритета и инхерентних својстава. Применом одговарајуће ултразвучне енергије (Ws/mL), односно подешавањем амплитуде и трајања соникације, ултразвучно дисперговање може равномерно да размрси и диспергује BNNTS. Веће амплитуде и дужа соникација могу се применити ако је потребно смањити дужину наноцеви бор-нитрида. У следећем одељку прочитајте више о ултразвучном смањењу величине и скраћивању BNNTs сечењем.

Ултразвучно смањење величине и сечење наноцеви бор-нитрида

Дужина наноцеви бор-нитрида има кључну улогу у накнадној обради BNNTs ради њиховог уграђивања у полимере и друге функционализоване материјале. Стога је важна чињеница да соникација BNNTs у растварачу може не само да раздвоји BNNTs на појединачне наноцеви већ и да скрати BNNTs са структуром налик бамбусу под контролисаним условима. Скраћене BNNTs имају много мању вероватноћу формирања снопова током припреме композита. Lee и сар. (2012) показали су да се дужине функционализованих BNNTs могу ефикасно смањити са >10µm на ∼500nm ултразвучном обрадом. Њихови експерименти указују на то да је ефикасно ултразвучно дисперговање BNNT у раствору неопходно за такво сечење ради смањења величине и сечења BNNT.

Ултразвучни уређаји високих перформанси за обраду BNNT

Паметне функције ултразвучних уређаја Hielscher осмишљене су да гарантују поуздан рад, поновљиве резултате и једноставност коришћења. Радним подешавањима може се лако приступити и она се могу подесити путем интуитивног менија, доступног преко дигиталног екрана у боји осетљивог на додир и даљинског управљања путем прегледача. Стога се сви услови обраде, као што су нето енергија, укупна енергија, амплитуда, време, притисак и температура, аутоматски бележе на уграђеној SD картици. То вам омогућава да прегледате и упоредите претходне циклусе соникације и оптимизујете процес ексфолијације и дисперговања наноцеви бор-нитрида и наноматеријала ради постизања највеће ефикасности.
Системи Hielscher Ultrasonics користе се широм света за производњу висококвалитетних BNNT наноцеви. Индустријски ултразвучни уређаји Hielscher могу лако да раде при високим амплитудама у непрекидном режиму рада (24/7/365). Амплитуде до 200µm могу се лако и непрекидно генерисати стандардним сонотрoдама (ултразвучним сондама / роговима). За још веће амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери. Због своје робусности и малих потреба за одржавањем, наши системи за ултразвучну ексфолијацију и дисперговање често се уграђују за примене у тешким условима рада и у захтевним окружењима.
Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics могу да остваре веома високе амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се лако и непрекидно одржавати у режиму рада 24/7. За још веће амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери.
Ултразвучни процесори Hielscher за дисперговање и ексфолијацију наноцеви бор-нитрида, као и CNT наноцеви и графена, већ су инсталирани широм света у комерцијалним размерама. Контактирајте нас сада да разговарамо о вашем процесу производње BNNT наноцеви! Наше веома искусно особље радо ће вам пружити више информација о процесу ексфолијације, ултразвучним системима и ценама!
Табела испод даје оквирни приказ приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: